4月2日,慕尼黑亥姆霍茲糖尿病和肥胖研究所的 Natalie Krahmer 團隊在Nature Metabolism 發(fā)表了關(guān)于人類(lèi)脂肪細胞分化生成過(guò)程中蛋白質(zhì)組時(shí)空圖譜的研究:A spatiotemporal proteomic map of human adipogenesis。
研究意義與成果:白色脂肪細胞通過(guò)儲存大量甘油三酯作為人體主要的能量?jì)Υ鎺?,其功能障礙與代謝紊亂有關(guān);然而,脂肪形成過(guò)程中細胞特化的機制尚不清楚。在這個(gè)研究里,研究人員對定向誘導分化過(guò)程中生成的四種不同人類(lèi)脂肪細胞模型,進(jìn)行了綜合時(shí)空蛋白質(zhì)組學(xué)檢測分析,闡明了細胞重塑和優(yōu)化細胞脂質(zhì)積累代謝途徑的空間重構,并重點(diǎn)揭示了脂肪細胞形成過(guò)程中的蛋白質(zhì)定位和豐度協(xié)調調節的過(guò)程。
研究對象:四類(lèi)脂肪前體細胞 (human adipocyte precursor cells ,hAPCs)兩個(gè)非永生化的細胞:Simpson–Golabi–Behmel syndrome (SGBS) and hAPC細胞), 兩個(gè)永生化的細胞:TERT-hAPC and hWA。
結果與結論:
1、人類(lèi)脂肪生成核心蛋白質(zhì)組的時(shí)間分辨特征
研究人員利用液相色譜-質(zhì)譜(LC-MS)蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù),在不同的人類(lèi)脂肪細胞模型中進(jìn)行了分化過(guò)程中蛋白質(zhì)組的分析。
通過(guò)對不同時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行蛋白質(zhì)組學(xué)分析,他們發(fā)現了脂肪生成過(guò)程中的核心蛋白質(zhì)組變化。在四個(gè)細胞模型中,大約38%的蛋白質(zhì)組發(fā)生了顯著(zhù)的重塑,其中約一半的蛋白質(zhì)顯示了在脂肪生成過(guò)程中一致的時(shí)間軌跡。
進(jìn)一步的分析顯示,在脂肪生成的早、中、晚期階段,存在著(zhù)不同的蛋白質(zhì)調節模式。通過(guò)監督式分層聚類(lèi)分析,確定了這些不同階段的蛋白質(zhì)組變化模式。此外,研究人員還利用蛋白質(zhì)標尺技術(shù)進(jìn)一步挖掘了數據,發(fā)現了在脂肪生成過(guò)程中特定功能途徑的時(shí)間相關(guān)調節。圖1:繪制人類(lèi)脂肪生成的時(shí)間分辨核心蛋白質(zhì)組圖譜 a, 基于液相色譜-質(zhì)譜(LC-MS)的蛋白質(zhì)組學(xué)工作流程,用于繪制人類(lèi)脂肪生成的核心蛋白質(zhì)組;b, 細胞模型和原代細胞蛋白質(zhì)組的動(dòng)態(tài)范圍;c, 原代樣本和細胞系分化階段的主成分分析(PCA)
2.細胞模型間的相似性和差異性
通過(guò)主成分分析和統計分析,研究人員發(fā)現了不同細胞模型在未分化和完全分化狀態(tài)下的獨特表達模式。
在未分化狀態(tài)下,SGBS細胞表現出最獨特的蛋白質(zhì)表達模式,而在分化狀態(tài)下,hWA細胞顯示出最明顯的特征,主要與其較不成熟的狀態(tài)相關(guān)。此外,研究人員還發(fā)現了與性別、年齡和細胞模型特性相關(guān)的特定蛋白質(zhì)表達模式差異。
總體而言,不同細胞模型之間存在著(zhù)一致的特征,但也存在著(zhù)與年齡、性別和細胞模型特性相關(guān)的獨特特征。
3. 轉錄組與蛋白質(zhì)組之間的時(shí)間動(dòng)態(tài)偏差
研究人員探索了在脂肪生成過(guò)程中,蛋白質(zhì)組與轉錄組之間的時(shí)間動(dòng)態(tài)偏差。
研究發(fā)現,蛋白質(zhì)組的修飾通常滯后于轉錄組,但不同蛋白質(zhì)在這種滯后程度上有所不同。部分蛋白質(zhì)的豐度與其對應的mRNA表達呈負相關(guān)。說(shuō)明在蛋白質(zhì)水平上存在其他因素影響其豐度變化,而不僅僅是基因轉錄水平的影響。
總體而言,代謝途徑的蛋白質(zhì)豐度與mRNA表達之間的相關(guān)性較高,而信號傳導途徑、染色質(zhì)調控和轉錄調控的蛋白質(zhì)則相關(guān)性較低。
4. 脂肪生成的空間蛋白質(zhì)組圖譜
研究人員利用蛋白相關(guān)性分析技術(shù)(PCP)構建了一個(gè)脂肪生成的空間蛋白質(zhì)組圖譜。PCP技術(shù)通過(guò)機械裂解細胞并利用密度梯度離心來(lái)分離細胞器,然后通過(guò)液相色譜-質(zhì)譜(LC-MS)分析來(lái)量化蛋白質(zhì)豐度,從而生成細胞器豐度圖譜,進(jìn)而預測蛋白質(zhì)的空間分布。
通過(guò)此方法,研究人員研究人員確定了脂肪細胞和脂肪前體細胞中5,530至5,675個(gè)蛋白質(zhì)的位置,他們得以識別脂肪生成過(guò)程中顯示不同位置的蛋白質(zhì),并發(fā)現了脂肪細胞和前脂肪細胞中的數千個(gè)蛋白質(zhì)的定位及變化。
5.蛋白質(zhì)在脂肪生成中的定位變化
通過(guò)回歸與分類(lèi)的分析,研究研究人員發(fā)現,在未分化的前體細胞和分化成脂肪細胞的過(guò)程中,有1323個(gè)蛋白質(zhì)顯示出不同的細胞器分布,其中654個(gè)蛋白質(zhì)在兩組數據中都具有高置信度。進(jìn)一步分析發(fā)現,這些蛋白質(zhì)中包括一些已知在脂肪生成過(guò)程中定位發(fā)生變化的蛋白質(zhì),例如PLIN2和ABHD5。
圖:脂肪形成過(guò)程中蛋白質(zhì)定位的變化
此外,研究人員還發(fā)現了一些蛋白質(zhì)在細胞間的轉移,以及在脂肪生成過(guò)程中蛋白質(zhì)定位的調節機制,包括蛋白質(zhì)亞型的變化和蛋白質(zhì)的新合成等。這些發(fā)現表明,蛋白質(zhì)定位的調節在細胞分化過(guò)程中起著(zhù)重要作用。
6. 蛋白質(zhì)定位和豐度的變化推動(dòng)細胞重編程
通過(guò)對線(xiàn)粒體等特定細胞器的時(shí)間蛋白質(zhì)譜聚類(lèi)分析,研究人員發(fā)現,脂肪生成過(guò)程中線(xiàn)粒體蛋白質(zhì)的總量顯著(zhù)增加,伴隨著(zhù)多個(gè)線(xiàn)粒體途徑的上調,包括三羧酸循環(huán)、呼吸鏈復合物和支鏈氨基酸(BCAA)分解代謝。同時(shí),他們發(fā)現,與支鏈氨基酸(BCAA)降解相關(guān)的多個(gè)蛋白質(zhì)水平和定位發(fā)生了變化,導致細胞的脂肪合成代謝路徑從細胞質(zhì)轉移到線(xiàn)粒體。另外,研究人員還觀(guān)察到,一碳代謝途徑中線(xiàn)粒體酶的水平下降,而細胞質(zhì)部分的酶水平上調,進(jìn)一步促進(jìn)了脂肪合成所需的還原當量。
圖:整合空間蛋白質(zhì)組學(xué)與蛋白質(zhì)水平表征細胞器代謝重編程
這些研究結果揭示了蛋白質(zhì)定位和豐度調控在細胞分化過(guò)程中重要的代謝途徑重新編程中的作用。
7. 調控脂質(zhì)周轉的脂肪細胞LD蛋白:C19orf12
通過(guò)脂肪細胞LD蛋白質(zhì)組分析,研究人員發(fā)現C19orf12在白色脂肪細胞LD中的顯著(zhù)增加,并證實(shí)其在成熟脂肪細胞中的重要作用。通過(guò)共免疫沉淀和蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù),他們發(fā)現C19orf12與脂質(zhì)代謝、線(xiàn)粒體TOM20蛋白質(zhì)等蛋白等發(fā)生相互作用。進(jìn)一步的實(shí)驗結果表明,C19orf12對脂質(zhì)代謝的調控至關(guān)重要,其敲低會(huì )導致脂質(zhì)動(dòng)力學(xué)的改變和線(xiàn)粒體功能的受損。
圖:C19orf12蛋白調節脂肪細胞脂肪的代謝周轉及互作蛋白
此外,研究發(fā)現C19orf12的表達與體脂肪含量、血漿甘油三酯水平和胰島素抵抗等指標呈負相關(guān),提示其在臨床上可能具有重要意義。
總結:
總的來(lái)說(shuō),該研究提供了一個(gè)全面的人類(lèi)脂肪生成的時(shí)空蛋白質(zhì)圖譜,為研究脂滴、脂肪生成和脂肪細胞功能提供了一個(gè)分析蛋白質(zhì)表達、代謝途徑和細胞器組成的平臺。
文章的討論部分進(jìn)一步探討了蛋白質(zhì)定位在細胞分化中的重要性,以及一些蛋白質(zhì)定位事件對脂肪細胞的脂質(zhì)合成過(guò)程的影響。此外,文章還討論了脂肪生成過(guò)程中其他代謝途徑的重編程,并探討了C19orf12在脂肪細胞中的作用機制和臨床意義。
全文鏈接:
Klingelhuber, F., Frendo-Cumbo, S., Omar-Hmeadi, M. et al. A spatiotemporal proteomic map of human adipogenesis. Nat Metab (2024). https://doi.org/10.1038/s42255-024-01025-8