解析大鼠脑蛋白表达的遗传调控：从分子机制到疾病关联的突破

为探究蛋白表达遗传变异与疾病和复杂性状的关系，研究人员分析大鼠脑蛋白组，确定 pQTLs 等，揭示其重要意义。

　　在生命科学领域，基因与各种生命现象的关联一直是研究的热点。长久以来，科学家们致力于解开基因的奥秘，探寻它们如何影响生物的各种特征和疾病的发生发展。其中，基因变异对蛋白质表达的影响，以及这种影响与常见疾病和复杂性状之间的联系，更是备受关注。尽管在 mRNA 层面的研究已经取得了不少成果，但相比之下，蛋白质作为细胞功能的主要执行者，其表达的遗传调控机制却鲜为人知。

mRNA 表达的变化并不能完全反映蛋白质表达的变化，因为存在复杂的转录后和翻译后调控机制。而蛋白质水平的变化对细胞和组织功能有着更为直接的影响。因此，深入研究蛋白质表达的遗传调控，对于揭示疾病的发病机制和复杂性状的遗传基础具有重要意义。

在这样的背景下，来自美国田纳西大学健康科学中心、圣裘德儿童研究医院等多个机构的研究人员，开展了一项关于大鼠脑蛋白表达遗传调控的研究。该研究成果发表在《iScience》杂志上。

研究人员为了开展此项研究，运用了多种关键技术方法。在样本选择上，使用了 29 个 HXB/BXH 重组近交系（RI）大鼠品系以及两个亲本品系的大脑样本。蛋白质分析方面，采用基于串联质谱标签（TMT）的定量质谱技术，结合二维液相色谱 - 串联质谱（LC - MS/MS）对脑蛋白组进行深度分析。同时，利用蛋白质基因组学方法鉴定变异肽段，通过全基因组关联分析（GWAS）确定蛋白表达数量性状位点（pQTLs），还借助大鼠泛基因组分析来挖掘潜在的遗传变异。

下面来看具体的研究结果：

1. 蛋白质组分析：研究人员通过 TMT - LC - MS/MS 技术，在至少一批样本中鉴定并定量了 11,118 种蛋白质，其中 8,124 种在所有生物样本中均能检测到。主成分分析（PCA）和皮尔逊相关性分析表明样本质量良好，且两个亲本品系之间蛋白质表达存在显著差异。与转录组数据对比发现，蛋白质表达水平与 mRNA 表达水平呈适度正相关（r = 0.35）。
2. 序列和表达水平的遗传变异：通过蛋白质基因组学分析，鉴定出 95 个变异肽段，其中 78 个表达水平有显著变化。差异蛋白表达分析确定了 597 个差异表达蛋白（DEPs），KEGG 富集分析显示这些蛋白在不同代谢途径中富集。此外，研究还发现部分蛋白质具有高变异性，且蛋白质的遗传力（h²）中位数为 0.54，这使得它们适合进行 pQTL 定位。
3. 蛋白质表达的遗传调控：进行全蛋白质组连锁分析后，研究人员识别出 318 个顺式作用位点，可调节 464 种蛋白质的表达，这些顺式 pQTLs 在代谢途径中显著富集。对比 mRNA 和蛋白质表达水平发现，部分共定位的 QTLs 具有相同的等位基因效应极性，但共定位的蛋白质和基因的表达水平仅呈中度相关。
4. 蛋白质表达的性别特异性调控：分别对雄性和雌性大鼠进行蛋白质组连锁分析，发现了性别特异性的顺式作用位点和蛋白质。例如，PFKL 在雄性中的表达受特定基因座调控，与葡萄糖和甘油代谢的性别差异有关；STRN3 在雌性中的表达受特定基因座调控，与雌激素受体相关。
5. 反式 pQTLs 对下游蛋白质表达的调控：研究人员识别出 87 个反式作用位点，可调节 116 种蛋白质的表达水平。通过共定位分析，发现一些反式 pQTLs 与顺式 pQTLs 存在共定位现象，暗示了它们之间可能的调控关系。
6. 蛋白质表达变异与表型性状的关联：对 HXB/BXH 家族的行为性状进行分析，发现一些 pQTLs 与行为性状显著相关，如特定基因座与 TRPV2 蛋白表达和行为性状相关，且该基因座对两者可能具有因果效应。此外，研究还发现部分蛋白质的顺式 pQTLs 与表型 QTLs 共定位，表明蛋白质表达与表型之间存在密切联系。
7. 泛基因组分析对 QTLs 中因果变异识别的改进：利用大鼠泛基因组分析，研究人员对 6 种与表型性状相关的蛋白质进行研究，发现 Fah 基因的一个 142bp 的插入和缺失（INDEL），其模式与 Fah 的表达一致。通过 RNA 干扰实验验证，敲低 Fah 可影响相关蛋白质的表达，进而影响半胱氨酸水平。
8. 大鼠蛋白质表达遗传调控与人类疾病的关联：以酒精成瘾为例，研究发现大鼠模型中一些蛋白质的 pQTLs 与人类疾病相关，如 GNAO1 和 ARRB2 蛋白的表达与酒精成瘾相关，这表明大鼠模型在揭示人类疾病分子机制方面具有重要的转化潜力。

在研究结论与讨论部分，该研究全面地描绘了大鼠脑蛋白表达的遗传调控图谱，确定了众多与蛋白质表达相关的遗传变异和 pQTLs，并揭示了它们与行为性状和人类疾病的潜在关联。这不仅有助于深入理解大脑中蛋白质表达的调控机制，还为研究复杂中枢神经系统（CNS）性状的遗传基础提供了重要线索。同时，研究还指出了研究的局限性，如 pQTL 分析使用的品系数量相对较少，可能影响检测到的 pQTLs 数量。但随着研究的深入和更多品系的纳入，有望克服这些局限，进一步拓展对蛋白质表达遗传调控的认识。

总的来说，这项研究为遗传学和神经生物学领域提供了新的见解和研究方向，为后续研究蛋白质表达与疾病的关系奠定了坚实基础，在生命科学研究中具有重要的意义。