簡述細胞蛋白水平與mRNA豐度間的依賴關系
近20年來，高通量技術的發(fā)展支持了大規(guī)模的基因組、轉錄組和蛋白質組定量分析。這些數(shù)據(jù)被用來分析在不同系統(tǒng)和條件下轉錄組與蛋白質組的定量關系。這些研究有時候會導致一些沖突的結論，尤其是究竟在何種程度上mRNA的量控制了蛋白質的量。
基礎生命科學研究和轉化生命科學研究的一個核心問題是：基因組信息是如何通過自身的表達來決定表型的。中心法則將DNA、RNA和蛋白質這三種分子緊緊聯(lián)系在了一起。來源于同一基因座的轉錄本的量與蛋白的量之間的關系并不簡單。蛋白的表達水平除了被轉錄本的量調控以外，還存在其他許多重要的調控途徑。這些途徑包括(1)翻譯率：翻譯率受到mRNA序列的顯著影響，比如上游的開放閱讀框，內部的核糖體結合位點；(2)翻譯率的調控：調控的方式有蛋白結合到轉錄本上的調控原件，非編碼RNA的結合，轉錄本與核糖體的結合能力；(3)蛋白質的半衰期：泛素化途徑的降解或者細胞自噬不依賴于轉錄本的量；(4)蛋白質合成的延遲：蛋白合成需要時間，因此轉錄的改變需要在一個短暫的延遲后才能影響蛋白的水平；(5)蛋白的轉運：蛋白在空間上被轉運出了它所合成的地方。因此直接比較蛋白的豐度與mRNA的豐度是不可取的。
蛋白與mRNA的相互比較有兩種不同的形式。一種是(Figure 1A)在不同的個體、條件或者時間點，比較來源于同一個基因的蛋白與mRNA的量，這樣做是為了研究mRNA水平的變化在何種程度上影響了蛋白量的變化。另一種(Figure 1B)是比較多個不同的蛋白和與之對應的mRNA的量，這樣做是為了研究在何種程度上蛋白水平能反應mRNA的不同。
Figure 1. 不同形式的蛋白與mRNA相互較
Y Liu，A Beyer，R Aebersold. On the Dependency of Cellular Protein Levels on mRNA Abundance. Cell.
技術的進步加深了我們對mRNA與蛋白水平關系的理解。基因組層面的研究需要高精度、高靈敏度和高準確度的技術(Figure 2)。
Figure 2. 控制基因表達的一系列機制和與之相應的定量手段
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過去20年來，質譜技術已經成為研究蛋白定性和定量的重要方法。作為一種全面的工具，質譜支持大規(guī)模的相對和絕對定量，而且不需要抗體(Table 1)。
Table1 質譜技術總結和用其研究mRNA與蛋白質關系的代表性文獻
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在穩(wěn)定狀態(tài)的時候，mRNA的水平決定了蛋白質的水平，而且蛋白質的合成會有延遲(Figures 3A and 3B)。很難嚴格地定義“穩(wěn)定的狀態(tài)”，姑且認為我們通常做組學實驗時收集的細胞，如果在某個時間段內(通常幾小時)的蛋白或者mRNA水平保持相對恒定，則被看做是 “穩(wěn)定的狀態(tài)”。
在短暫的適應期，轉錄后的調控非常重要。如果改變細胞的生存環(huán)境和條件，細胞需要短暫的適應期。這時如果僅僅只改變轉錄水平則太慢了，因此就需要轉錄后的調控機制。提高現(xiàn)有轉錄本的翻譯速率能快速地合成新的所需蛋白，同時目標性地降解蛋白質，例如通過泛素途徑，可以加速清除無用蛋白甚至毒性蛋白(Figures 3B–3D)。按需表達的機制可以保證在信號刺激時細胞快速地響應合成所需蛋白，而不是組成型地表達蛋白(Figures 3B)。另一方面，眾所周知，翻譯后修飾(也可以認為是一種轉錄后調控)在短暫適應期也非常重要。
由于能量和濃度的限制，細胞內蛋白的合成和降解是平衡的。蛋白合成受到多方面的限制。一方面是能量和營養(yǎng)；另一方面是催化蛋白合成的調節(jié)機制。合成蛋白的代價要比合成mRNA的代價大得多，因此細胞要選擇最經濟的辦法來解決蛋白合成的問題。盡管處在各種限制下，細胞都努力使蛋白保持在恒定水平，無論穩(wěn)態(tài)還是動態(tài)環(huán)境。這種物理的限制可以被用來優(yōu)化蛋白的擴散速度、蛋白在細胞器間的轉運和生化反應速率(Figures 3E–3G)。在細胞內，蛋白的拷貝數(shù)比mRNA的拷貝數(shù)多得多。一項研究表明，裂殖酵母在增殖期轉換到平衡期時，mRNA的拷貝數(shù)減少了將近70%，而蛋白拷貝數(shù)只減少了9.5%。
Figures 3 mRNA與蛋白質動態(tài)關系的重要性
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蛋白質的合成需要細胞分配資源，這種分配由轉錄調控開始。細胞生產一種蛋白的代價主要由蛋白的前體，蛋白的組成(比如分子量)和蛋白合成速率決定。研究表明在細菌代謝途徑中，合成高代價的酶通常受到多個轉錄速率調節(jié)；與之相反，合成低代價的酶僅受到幾個關鍵反應的控制，通常這種通路都是組成型表達。因此，合成高代價的酶受到嚴格的調控以避免 “浪費”，低代價的酶即使它不被需要，依然可以被表達。轉錄調控反應了最小代價合成蛋白與最大化功能之間的平衡。研究表明，在一個特定的細胞周期，如果想激活或者失活某個蛋白復合體，不必合成或者降解這個復合體的每個成員，只需調節(jié)一些關鍵的成員就足夠了。運用這種經濟的原則，細胞用最小的代價調控了蛋白復合體。但是，在多細胞生物中，這種優(yōu)化的機制可能不同。
細胞通過核糖體的使用來分配資源。細胞不得不靈活地利用翻譯機器原件，比如翻譯因子，tRNA，氨酰tRNA合成酶和核糖體。酵母蛋白翻譯的主要限制可能是競爭游離的核糖體，而非競爭氨酰tRNA。
高豐度蛋白的絕對與相對量的調節(jié)。上調高豐度蛋白的倍數(shù)比上調低豐度蛋白的倍數(shù)，需要更多的拷貝數(shù)，因此代價要大得多。高豐度蛋白通常通過高mRNA絕對水平和高效地翻譯產生。換言之，mRNA的量和翻譯速率與蛋白豐度正相關。但是，高表達蛋白的生產速率貌似已經飽和，這種情況表明整體的翻譯已成為大多數(shù)高豐度蛋白的限制。這種限制很可能由于mRNA上核糖體飽和引起。因此，那些高豐度蛋白通常只有最低的蛋白變化率，通常執(zhí)行持家蛋白的功能。
另一方面，近期的研究表明蛋白合成速率的不同是決定蛋白拷貝數(shù)不同的主要因素(Figures 3F)。這種情況表明，mRNA的變化可以決定蛋白相對量的變化，轉錄后調控更多的導致蛋白絕對水平變化。因此，盡管翻譯后調控可能顯著地影響蛋白拷貝數(shù)，但是它可能不根本性地影響蛋白間的相對變化。
不同的空間，蛋白質與mRNA的關系不同。不同的空間，比如細胞群和組織與單細胞，單細胞與亞細胞單位，同樣顯著地決定了蛋白量究竟在何種程度上反映了轉錄本的量。在組織里如果不對細胞類型加以區(qū)分，會導致對蛋白質與mRNA的關系進行錯誤的評估。單細胞內蛋白質與相對應的mRNA的相關性會降低，整個細胞水平與亞細胞水平的相關性也不同。
總而言之，在穩(wěn)定狀態(tài)蛋白水平很大程度上由轉錄本的量決定；而在動態(tài)階段，比如細胞分化或者應激，轉錄后的過程可能會導致更多的改變。在很多場景中僅僅只依據(jù)轉錄水平無法充分地預測蛋白水平。因此要解釋清楚基因型與表型的關系，高質量多層次基因表達的數(shù)據(jù)對完整地理解生物學過程必不可少。蛋白質組學的發(fā)展為此提供了可能，iTRAQ、SILAC、SWATH等技術已廣泛用于農業(yè)、工業(yè)、醫(yī)學等行業(yè)的研究。
參考文獻
Y Liu，A Beyer，R Aebersold.On the Dependency of Cellular Protein Levels on mRNA Abundance. Cell, 2016, 165(3):535-550
