哈佛研究推翻长期持有的生物学假设

　　

生物通报道：最近，哈佛大学医学院（HMS）的研究人员，开发出一种数学工具，可以准确地描述发育早期阶段青蛙胚胎中的蛋白质数量。该工具还可以确定，哪些蛋白质是受精时出现的，哪些蛋白质是后来由胚胎本身产生的。这些研究结果最近发表在《Developmental Cell》。延伸阅读：Nature子刊解决长期发育学谜题。

本文第一作者、HMS系统生物学讲师Leonid Peshkin指出：“我们首次能够解密胚胎的所谓的蛋白质经济（蛋白质组）。”

更重要的是，研究人员获得了一个“与许多科学家长期持有的假设相反”的结果，即，信使RNA在细胞中的表达水平，可以用作蛋白质水平的一个衡量。起初，这个概念似乎是合理的。如果RNA产生蛋白质，那么细胞中高水平的RNA水平，则表明高水平的蛋白质，反之亦然。然而Peshkin和他的团队发现，这个假设往往是错误的。

当Peshkin考虑发育胚胎中的蛋白质分配问题时，他将此比作一场宴会。如果你邀请了一大群人，你不想提前几天准备好一切，因为没有人喜欢吃一个星期的沙拉。你也不想当人们出现时才开始准备食物，特别是，烤肉需要腌七个小时。这两个极端都会浪费精力。很显然，正确的做法是，事先准备与现场需要做的工作，实现很好的平衡。诀窍是决定这种平衡。

对于蛋白质分配也是如此。一些蛋白质在受精的那一刻存入胚胎中，而另一些则是在胚胎生长时根据需要生产的。对于生物学家来说，了解这个过程的动力学，是理解基本发育生物学的关键。

传统上，研究人员使用RNA表达水平来评估蛋白质水平。Peshkin决定检测这种方法。他和他的同事们确定了青蛙胚胎中的10000个基因，并用质谱仪测量了整个发育过程中它们后来编码的所有蛋白的水平。然后，他们将这些测量值与在同一时期的RNA表达水平进行了比较。

立即索取全能型蛋白转印系统的更多资料

然后Peshkin重复这个实验，这一次只测量受精那一刻的蛋白质水平，不包括整个发育过程中的蛋白质数量。他将这个数据，包括RNA表达水平，输入一个预测性算法。该算法对来自这两个数据集的信息进行运算，然后确定早期发育每个阶段的蛋白质数量。

Peshkin发现，如果仅仅使用RNA表达作为蛋白质数量的衡量——研究人员长期持有的约定，大部分时间，研究结果将是不准确的，尤其是在蛋白质快速产生和快速降解的情况下。另一方面，他的预测算法，在大部分时间是准确的。

令人吃惊的是，他和他的同事们发现，许多蛋白质——对于以后的器官功能至关重要，被储存在卵母细胞中（即使它受精之前）。这个原因是意想不到的，因为许多这些蛋白质是组织特异性的，不仅在受精卵中没有用途，而且如果它们使用得太早，可能对胚胎是有毒的。

Peshkin将调查的下一个问题是，卵子如何设法抑制这些蛋白质。本文简要地提及到了翻译后蛋白质修饰（例如，磷酸化）在胚胎发育中的作用和动力学。但这些观察结果只是冰山一角。

他沉思，这通常是生物医学研究的案例。新发现往往导致进一步的问题。他说：“在实验室里这是一个笑话。通常，标题是，‘前所未有的大型数据集，揭示了生物学中我们不了解的新深度’。”

现在，对于研究感兴趣的特定蛋白的科学家来说，该工具是可以在线获取的。

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
On the Relationship of Protein and mRNA Dynamics in Vertebrate Embryonic Development
Summary: A biochemical explanation of development from the fertilized egg to the adult requires an understanding of the proteins and RNAs expressed over time during embryogenesis. We present a comprehensive characterization of protein and mRNA dynamics across early development in Xenopus. Surprisingly, we find that most protein levels change little and duplicated genes are expressed similarly. While the correlation between protein and mRNA levels is poor, a mass action kinetics model parameterized using protein synthesis and degradation rates regresses protein dynamics to RNA dynamics, corrected for initial protein concentration. This study provides detailed data for absolute levels of ∼10,000 proteins and ∼28,000 transcripts via a convenient web portal, a rich resource for developmental biologists. It underscores the lasting impact of maternal dowry, finds surprisingly few cases where degradation alone drives a change in protein level, and highlights the importance of transcription in shaping the dynamics of the embryonic proteome.