題目：A proteomic atlas of the legume Medicago truncatula and its nitrogen-fixing endosymbiont Sinorhizobium meliloti
期刊：Nature Biotechnology
影響因子：35.724
研究背景
豆科植物和共生的根瘤菌發生固氮作用可以從空氣中獲得氮，減少植物對土壤肥料的需求。為了進一步研究豆科植物與根瘤菌之間的共生關系，作者利用定量蛋白質組學和修飾組學，深入研究分析苜蓿與根瘤菌的蛋白表達譜，揭示蛋白質翻譯后修飾在共生關系中的重要作用。
研究內容及結果
1. 蒺藜苜蓿及苜蓿中華根瘤菌蛋白質組學和翻譯后修飾組學鑒定結果
作者為了研究蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）的綜合蛋白質組學，選擇了七個主要器官：根、莖、葉、花、種子、頂端分生組織（芽）、不同發育階段的根瘤，分別取樣后進行蛋白質組學分析（label free 和PTMs）（圖1）。隨后，作者又整合、構建了苜蓿的非冗余蛋白質序列數據庫（Wisconsin Medicago Group，WMG）用于搜庫檢索。為了確定部分蛋白是來自根瘤菌還是苜蓿，作者又將根瘤菌的UniProt數據庫和WMG數據庫整合在一起，進行搜庫分析。在本次研究中，總共鑒定到23013個蛋白，其中苜蓿19679個，根瘤菌3334個，修飾蛋白組學分析發現20120個磷酸化位點和734個乙?；稽c。
圖1 蛋白質組學實驗設計
2. 蛋白質表達譜分析
為了研究苜蓿全局蛋白表達情況，作者進行了環形蛋白質組學圖譜分析（CPM，圖2）。發現有一批核心蛋白質（5701個蛋白）在苜蓿所有部位均表達（圖2a黑色直方圖，圖3a），翻譯后修飾位點也較為集中于這些核心蛋白質組，它們主要參與蛋白質折疊、轉運、翻譯、糖酵解、糖異生等（圖3b）。而且這批核心蛋白在各個器官中的表達也具有相似性（圖3c）。除此之外，在根瘤所有時間節點都表達的蛋白共有2831個（圖2b）。
圖2 環形蛋白組學圖譜
圖3 不同器官的蛋白質組學結果
3. 核心蛋白質組的翻譯后修飾
作者進一步研究了不同器官蛋白的翻譯后修飾，發現翻譯后修飾位點也較為集中于這些核心蛋白質組，比如根瘤中。細菌依靠宿主植物提供有機酸（主要是蘋果酸），以產生固定大氣氮所需的ATP，而在核心蛋白質組中，蘋果酸脫氫酶磷酸化水平增加，表明在結節成熟過程中磷酸化具有調節作用。此外，作者在固氮過程中nifH、Ferredoxin III、nifX等細菌蛋白發生了磷酸化修飾，并且固氮酶α鏈和nifH等蛋白發生了乙?；揎?。這些關鍵蛋白的翻譯后修飾可能在固氮調節中發揮重要作用。
圖4 PTMs 統計分析
4. M. truncatula蛋白質功能分析及構建共表達網絡
作者利用方差分析、層次聚類以及基因本體富集分析進行蛋白質共表達、修飾共調控的機制研究，結合蛋白結構域和序列分析實現了幾種未表征的蛋白質和預測的基因產物假定功能注釋（圖5）。作者進一步用統計分析火山圖揭示根瘤生長過程相關蛋白差異表達，這些蛋白的磷酸化修飾也發生了改變（圖6a）。為了研究共生關系中發揮重要作用的蛋白，作者對根瘤組織中差異蛋白繼續進行分析，利用已有的轉錄組和蛋白質組數據構建了共表達網絡。作者發現，絲氨酸激酶和細胞壁相關激酶是共生網絡中發揮重要作用的蛋白，鈣調蛋白具有最高的連通程度，是宿主中關鍵的調節因子（圖6）。
圖5 M. truncatula蛋白功能注釋
圖6 差異蛋白火山圖和蛋白網絡調控預測分析
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作者隨后對鑒定到的252個結瘤特異性的富半胱氨酸肽（NCR）在根瘤發育過程中的表達模式進行統計分析，研究發現NCR多肽在結瘤過程中發揮重要功能：早期能夠調控根瘤形態發生，后期可以調控共生體形成（圖7a）。為了研究這些NCR多肽的靶點，作者接下來分析了S. meliloti蛋白質組學結果，研究發現，NCR多肽可靶向調節轉錄調節因子（AraC、RpiR、LysR、TetR、GntR、LuxR）的特定蛋白質家族、與細胞分裂相關的蛋白質（FtsZ，FtsW）和RNA聚合酶輔助因子（圖7b）。
圖7 ?NCR表達模式及網絡互作分析
5. 其他植物多肽和信號肽酶
除了上述NCR肽之外，作者還鑒定到了許多的短肽（<20個氨基酸），這些肽可能在發育、細胞-細胞通訊、免疫反應和共生中具有關鍵作用。同時，作者研究定位到兩個信號肽酶（DNF1、a signal peptide peptidase-like protein）和兩個關鍵肽轉運蛋白（MtN21、PTR1）。作者認為深入研究這些多肽將有助于解析共生固氮的機理。
文章小結
作者在已有的苜?；蚪M和轉錄組數據的基礎上對苜蓿大部分器官（根、莖、葉、花、種子、頂端分生組織以及不同發育階段的根瘤）進行蛋白質組和修飾蛋白質組分析。研究鑒定到了苜蓿核心蛋白質組和參與根瘤生長及調控的特異蛋白子集，建立共生固氮調控網絡，發現核心蛋白，為分析苜蓿與固氮根瘤菌的蛋白表達和蛋白翻譯后修飾提供了新的研究思路，推動了根瘤固氮機理的研究。
解析文獻
Marx H, Minogue CE , et al. A proteomic atlas of the legume Medicago truncatula and its nitrogen-fixing endosymbiont Sinorhizobium meliloti. Nature Biotechnology, 2016 , 34 (11) :1198
參考文獻
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