多層組學整合分析是指對來自基因組、轉錄組、蛋白組、代謝組和脂質組等不同生物分子層次的批量數據進行歸一化處理、比較分析和相關性分析等統計學分析，建立不同層次分子間的數據關系。同時結合GO 功能分析、代謝通路富集、分子互作等生物功能分析，系統全面地解析生物分子功能和調控機制。不同分子層次的組學數據進行整合分析一方面可以相互驗證，另一方面也有助于相互補充，最終實現對生物變化大趨勢與方向的綜合了解，提出分子生物學變化機制模型，并篩選出重點代謝通路或者蛋白、基因、代謝、脂質產物進行后續深入實驗分析與應用。

蛋白質組和代謝組聯合分析流程

技術優勢

1.通過對不同層面的表達水平分析，實現對蛋白質及代謝物的全譜分析；

2.同時實現從“因”和“果”兩個方向探究生物學問題，相互間的驗證作用更明顯；

3.闡述分子調控-表型間的關聯機制，系統全面地解析生物分子功能和調控機制；

4.從海量的數據中去偽存真，篩選出重點代謝通路或者基因、代謝產物進行后續深入實驗分析與應用。

蛋白組與代謝組聯合分析案例解析一

晝夜節律蛋白質組學分析揭示代謝途徑轉錄后調控新機制

Circadian Proteomic Analysis Uncovers Mechanisms of Post-Transcriptional Regulation in Metabolic Pathways

研究對象：脈孢菌         期刊：Cell Systems

影響因子：8.673          發表單位：美國倫斯勒理工學院

研究背景

生物體經歷日夜循環進化出晝夜節律生物鐘，使適當的細胞生理學活動發生在有利的時機，從而調節從睡眠到細胞代謝的一切活動。從真菌到動物，生物鐘的調節機制是非常保守的，其核心是轉錄翻譯的正負反饋環。之前的晝夜節律蛋白質組學檢測發現節律性蛋白沒有相對應的節律性mRNAs，這些研究表明了表達的mRNAs與翻譯的蛋白水平的不一致性。因此，只追蹤晝夜節律中mRNA水平的變化來揭示細胞內晝夜節律生物鐘對細胞功能的調控是不可行的，我們還需要直接檢測蛋白質水平的變化。

樣本策略：脈孢菌菌株FGSC2489(WT)和FGSC11348(Dcsp-1) 

技術策略：TMT定量蛋白質組學分析、RNA-seq

結果速遞

研究者利用TMT-MS技術對脈孢菌的相關蛋白質水平進行定量檢測。共鑒定到52251個肽段，在70%以上的樣本中檢測到4742個蛋白質（占脈孢菌蛋白質組的45%）。研究人員采用eJTK_cycle算法來確定哪些蛋白處于晝夜節律調節下，分析發現其中27%的蛋白（約1273個蛋白）具有晝夜節律性。作者分析了晝夜節律蛋白的峰相隨晝夜節律的動態變化（圖1B-C），發現節律蛋白表達的高峰出現在主觀下午和傍晚，并高度集中在“黃昏”時分。功能注釋分析表明，節律蛋白主要發揮參與代謝和調節代謝的功能（圖1D-E）。

圖1. 脈孢菌晝夜節律蛋白質組學分析

使用基于SVA的工具和eJTK_cycle分析， 研究人員發現40％的轉錄組（3858個轉錄本）具有明顯的節律性，約2/3的節律性基因與TMT-MS檢測到的蛋白相對應（ 圖2A），其中752個基因（約占總節律蛋白質59%）在轉錄和蛋白質水平均具有節律性。而對于這部分轉錄和蛋白質水平的節律性的基因， 其轉錄和蛋白水平峰值相位延遲范圍從0小時（77個或10%的基因） 到22小時不等， 平均相位延遲約10.3小時（ 圖2B）。

圖2. WT晝夜節律轉錄組和蛋白質組的比較

為了可視化代謝途徑中生物鐘調節的程度， 作者使用了Biocyc 通 路 基 因 組 數 據 庫 （ BioCyc  Pathway Genome Database，PGDB）中的Pathway Tools軟件， 對參與或調解代謝的節律蛋白表達水平的進行觀察。作者對所有顯著節律的蛋白（p <0.05）的表達進行了建模，然后在代謝圖譜上將峰值表達時間映射到了每種蛋白的相應酶上。在大部分BioCyc代謝途徑中都發現了節律蛋白，包括糖酵解和TCA循環等中樞代謝途徑。

圖3. 與糖酵解蛋白相反的戊糖-磷酸途徑中節律性蛋白

總之，該深度采樣的數據集證實了生物鐘在調節生物體代謝輸出方面的重要性，包括轉錄后的生物節律調節。該研究利用先進的生物信息學工具，對晝夜節律的轉錄組以及蛋白質組進行研究。分析發現，晝夜節律存在廣泛的轉錄后調控機制，尤其是對代謝途徑的調控，再次強調了晝夜節律中翻譯水平調控的重要作用。

參考文獻

Hurley JM, Jankowski MS, De Los Santos H, et al. Circadian Proteomic Analysis Uncovers Mechanisms of Post-Transcriptional Regulation in Metabolic Pathways[J]. Cell Syst, 2018, 7:613-626.e5.