PBJ 综述 | 基于质谱和成像技术全面系统解剖囊泡运输的空间蛋白质组学

近日，Plant Biotechnology Journal在线发表了中国农业大学陈艳梅团队题为 “Spatial proteomics of vesicular trafficking: coupling mass spectrometry and imaging approaches in membrane biology ” 的综述。

在植物中，细胞膜的分隔导致不同细胞器之间的信息交流主要通过囊泡运输途径。囊泡运输途径是蛋白质、多糖和中间物质在细胞器、质膜 ( PM ) 和胞外之间精确运输和定位所必需的细胞过程。囊泡能够在膜结合的细胞间室之间运输物质并传递信号。囊泡运输是一个极其复杂的动态过程，主要包括运输囊泡的出芽、转运、拴留、锚定和膜融合过程；其中涉及到许多关键的调控因子，例如 adaptor 和 coating 蛋白。

Figure 1: Hypothetical model of vesicle trafficking in plants.

一般来说，参与囊泡运输的膜蛋白是高度动态的，可以对环境的变化和细胞信号做出快速反应。因此，捕捉它们的定位和动态对于理解囊泡运输途径背后的机制至关重要。然而，由于囊泡蛋白质组的重叠和动态特性，其分析一直落后植物中其它亚细胞区室的研究。空间蛋白质组学旨在研究蛋白质的亚细胞分布和丰度。基于高分辨率质谱 ( MS ) 的空间蛋白质组学和高级显微镜技术的最新进展，加上机器学习数据分析，通过提供蛋白质组范围的空间信息和视频速率的时间分辨率，加速了对核内蛋白质含量和核内蛋白质相互作用的研究。

随着合适的蛋白质检测和定量方法的发展，囊泡运输的高效全局分析取得了突破。空间蛋白质组学分析已被应用于不同细胞类型（从哺乳动物细胞到植物细胞）的膜蛋白定位。这些研究代表了阐明细胞信号传导的不同方法。在这些研究中发现，MS和显微镜方法的互补性为探索囊泡成分的分布和组织提供了令人兴奋的协同作用。

在这篇综述中，作者重点介绍了用于确定特定运输路线中蛋白质的位置、分布和丰度的主要蛋白质组学和成像方法。在基于MS的蛋白质组学方法中，单细胞器蛋白质组学在分析膜蛋白时是敏感和特异的，非常适合解决细胞器的靶向问题；而多细胞器蛋白质组学分析在单细胞器的基础上为囊泡运输提供了新的研究视角，并可用于系统生物学方法中的细胞生物学模型。其次，在基于成像的技术中，作者主要介绍了用于探测囊泡运输的荧光标记方法，以及高级显微技术在囊泡运输成像中的现状。另一方面，作者阐明了囊泡蛋白动力学和相互作用及其与下游信号输出的连接的方法。最后评估了它们在探索不同细胞和亚细胞过程中的生物学应用。

Table 1. Comparison of microscopy techniques to explore vesicular trafficking pathways.

Table 2. Comparison of strategies used for the analysis of protein–protein interactions.

动态囊泡运输系统通过调节细胞内和细胞外的物质运输，从而调节植物的生长、发育和胁迫反应。正如本文所讨论的，当前的定量质谱可以区分亚化学计量相互作用。当与先进的显微镜成像能力相结合时，这些方法使膜蛋白的多重映射具有非常高的分辨率和准确性。尽管囊泡是研究中最具技术挑战性的细胞器之一，但上述技术已经确定了> 1000个蛋白质的空间组织和参与各种囊泡运输途径的关键调控因子。然而，一些研究表明，基于MS的空间蛋白质组学与先进成像技术的结合产生了强大的协同作用。

新技术的不断发展可能会解决更具挑战性的问题，如确定细胞器特异性周转率。在未来，我们期望MS和显微镜在分辨率、灵敏度和扫描速度方面都能继续提高。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/pbi.13929

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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