Nat Metab|人类脂肪形成的时空蛋白质组谱图

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白色脂肪细胞(white adipocytes)作为人类的主要能量储存库,通过储存大量的甘油三酯发挥作用,其功能异常与代谢性疾病相关。然而,在脂肪生成过程中,细胞特化的机制仍然未知。

4月2日,慕尼黑亥姆霍兹糖尿病和肥胖研究所的 Natalie Krahmer 团队在 Nature Metabolism 发表了关于人类脂肪生成过程中蛋白质组时空图谱的研究:A spatiotemporal proteomic map of human adipogenesis

图1 论文截图


文章通过空间蛋白组学揭示了脂肪细胞生成过程中蛋白质定位和丰度变化,以及这些变化对细胞重编程和脂质代谢的影响。

结果1:
人类脂肪生成核心蛋白质组的时间分辨特征

研究人员利用液相色谱-质谱(LC-MS)蛋白质组学技术,在不同的人类脂肪细胞模型中进行了分化过程中蛋白质组的分析。

通过对不同时间点进行蛋白质组学分析,他们发现了脂肪生成过程中的核心蛋白质组变化。在四个细胞模型中,大约38%的蛋白质组发生了显著的重塑,其中约一半的蛋白质显示了在脂肪生成过程中一致的时间轨迹。

进一步的分析显示,在脂肪生成的早、中、晚期阶段,存在着不同的蛋白质调节模式。通过监督式分层聚类分析,确定了这些不同阶段的蛋白质组变化模式。此外,研究人员还利用蛋白质标尺技术进一步挖掘了数据,发现了在脂肪生成过程中特定功能途径的时间相关调节。

图2 绘制人类脂肪生成的时间分辨核心蛋白质组图谱 a, 基于液相色谱-质谱(LC-MS)的蛋白质组学工作流程,用于绘制人类脂肪生成的核心蛋白质组;b, 细胞模型和原代细胞蛋白质组的动态范围;c, 原代样本和细胞系分化阶段的主成分分析(PCA)

结果2:
细胞模型间的相似性和差异性

通过主成分分析和统计分析,研究人员发现了不同细胞模型在未分化和完全分化状态下的独特表达模式。

在未分化状态下,SGBS*细胞表现出最独特的蛋白质表达模式,而在分化状态下,hWA细胞显示出最明显的特征,主要与其较不成熟的状态相关。此外,研究人员还发现了与性别、年龄和细胞模型特性相关的特定蛋白质表达模式差异。

总体而言,不同细胞模型之间存在着一致的特征,但也存在着与年龄、性别和细胞模型特性相关的独特特征。

*SGBS:Simpson–Golabi–Behmel syndrome,斗牛犬综合征,是一种罕见的基因综合征

结果3:
转录组与蛋白质组之间的时间动态偏差

研究人员探索了在脂肪生成过程中,蛋白质组与转录组之间的时间动态偏差。

研究发现,蛋白质组的修饰通常滞后于转录组,但不同蛋白质在这种滞后程度上有所不同。部分蛋白质的丰度与其对应的mRNA表达呈负相关。说明在蛋白质水平上存在其他因素影响其丰度变化,而不仅仅是基因转录水平的影响。

总体而言,代谢途径的蛋白质丰度与mRNA表达之间的相关性较高,而信号传导途径、染色质调控和转录调控的蛋白质则相关性较低。
结果4:
脂肪生成的空间蛋白质组图谱

研究人员利用蛋白相关性分析技术(PCP)构建了一个脂肪生成的空间蛋白质组图谱。PCP技术通过机械裂解细胞并利用密度梯度离心来分离细胞器,然后通过液相色谱-质谱(LC-MS)分析来量化蛋白质丰度,从而生成细胞器丰度图谱,进而预测蛋白质的空间分布。

通过此方法,研究人员研究人员确定了脂肪细胞和脂肪前体细胞中5,530至5,675个蛋白质的位置,他们得以识别脂肪生成过程中显示不同位置的蛋白质,并发现了脂肪细胞和前脂肪细胞中的数千个蛋白质的定位及变化。

图3 人类脂肪生成的细胞图谱

结果5:
蛋白质在脂肪生成中的定位变化

通过支持向量机(SVM)分析,研究研究人员发现,在未分化的前体细胞和分化成脂肪细胞的过程中,有1323个蛋白质显示出不同的细胞器分布,其中654个蛋白质在两组数据中都具有高置信度。

进一步分析发现,这些蛋白质中包括一些已知在脂肪生成过程中定位发生变化的蛋白质,例如PLIN2和ABHD5。

此外,研究人员还发现了一些蛋白质在细胞间的转移,以及在脂肪生成过程中蛋白质定位的调节机制,包括蛋白质亚型的变化和蛋白质的新合成等。这些发现表明,蛋白质定位的调节在细胞分化过程中起着重要作用。

结果6:
蛋白质定位和丰度的变化推动细胞重编程

通过对线粒体等特定细胞器的时间蛋白质谱聚类分析,研究人员发现,脂肪生成过程中线粒体蛋白质的总量显著增加,伴随着多个线粒体途径的上调,包括三羧酸循环、呼吸链复合物和支链氨基酸(BCAA)分解代谢。

同时,他们发现,与支链氨基酸(BCAA)降解相关的多个蛋白质水平和定位发生了变化,导致细胞的脂肪合成代谢路径从细胞质转移到线粒体。另外,研究人员还观察到,一碳代谢途径中线粒体酶的水平下降,而细胞质部分的酶水平上调,进一步促进了脂肪合成所需的还原当量。

这些研究结果揭示了蛋白质定位和丰度调控在细胞分化过程中重要的代谢途径重新编程中的作用。

图4 将空间蛋白质组学与蛋白水平相结合,以表征细胞器代谢重编程

结果7:
人类白色脂肪细胞中脂质代谢的空间组织

研究人员利用他们的空间-时间图谱研究了脂质代谢的组织,并定义了脂肪细胞LD蛋白质组。他们发现,一些脂质合成酶被分组到特定的蛋白质复合物中,并在脂肪细胞中形成了特殊的排列方式,暗示这些酶可能形成凝聚物。

此外,研究人员还成功建立了一个高可信度的脂肪细胞LD蛋白质组,该组中包含了在脂滴富集分数中富集的蛋白质,揭示了LD蛋白质组在脂肪生成过程中的协调和时间依赖性调节。

结果8:
调控脂质周转的脂肪细胞LD蛋白:C19orf12

通过脂肪细胞LD蛋白质组分析,研究人员发现C19orf12在白色脂肪细胞LD中的显著增加,并证实其在成熟脂肪细胞中的重要作用。通过共免疫沉淀和蛋白质组学技术,他们发现C19orf12与脂质代谢、线粒体蛋白质等发生相互作用。

进一步的实验结果表明,C19orf12对脂质代谢的调控至关重要,其敲低会导致脂质动力学的改变和线粒体功能的受损。
此外,研究发现C19orf12的表达与体脂肪含量、血浆甘油三酯水平和胰岛素抵抗等指标呈负相关,提示其在临床上可能具有重要意义。


总 结

总的来说,该研究提供了一个全面的人类脂肪生成的时空蛋白质图谱,为研究脂滴、脂肪生成和脂肪细胞功能提供了一个分析蛋白质表达、代谢途径和细胞器组成的平台。

文章的讨论部分进一步探讨了蛋白质定位在细胞分化中的重要性,以及一些蛋白质定位事件对脂肪细胞的脂质合成过程的影响。此外,文章还讨论了脂肪生成过程中其他代谢途径的重编程,并探讨了C19orf12在脂肪细胞中的作用机制和临床意义。

文章链接:
https://www.nature.com/articles/s42255-024-01025-8#Sec1

 

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