小伙伴们大家好，我是菠小萝。今天为大家带来的是一篇2021年发表在《Nucleic Acids Res》上的文章，题目是“Tissue- and development-stage-specific mRNA and heterogeneous CNV signatures of human ribosomal proteins in normal and cancer samples”，最新影响因子：16.971。范文研究了正常和癌症样本中组织和发育阶段特异性的mRNA和人类核糖体蛋白的异质性CNV签名。大家今天就一起来学习一下这篇极具临床意义的高分生信文章吧~感谢作者的团队为我们提供学习典范！
知识背景
人核糖体由核糖体RNA (ribosomal RNA, rRNA)和80个结构核糖体蛋白(structural ribosomal proteins, RPs)组成，形成60和40S两个亚基。RPs在复杂真核生物的早期发育中是必不可少的，并且是高度保守的。越来越多的研究表明，核糖体在许多水平上存在异质性，,特定种系RP突变导致特定组织缺陷的事实表明RP在疾病中的组织特异性作用。核糖体DNA (ribosomal DNA, rDNA)具有拷贝数变异(copy number variation, CNV)和个体内部和个体之间的核苷酸差异。于是，本文即围绕这种异质性是否只存在于异常或疾病条件下，或者这种变异是否也在正常组织中展开研究。
结构框架
本项研究中，这种在人类正常和癌症样本中，在mRNA和CNV水平上是否存在一致的RP异质性模式。分析了来自GTEx的数据:包括714名受试者53个人体组织的11,688个正常样本的mRNA水平；以及来自TCGA的数据:包括33种人类癌症类型的10363个肿瘤样本的mRNA水平。此外，来自675个肿瘤来源的人类细胞系的mRNA数据和CRISPR-Cas9基因敲除数据用于分析人类细胞株的生存/生长能力。除此之外，作者还纳入分析了核糖体分析和mRNA数据来自人类vs.小鼠，以及来自正常成人vs.胎儿组织的蛋白表达数据。
作者对RP mRNA不同样本间变异的mRNA数据进行差异分析，获得高度组织特异性的mRNA签名。CRISPR-Cas9基因敲除几个细胞系的RP基因表明，几个RP的丢失并不总是影响细胞的生存能力。在人类、小鼠和大鼠中，组织和细胞培养中RP基因的RNA-seq和核糖体图谱数据高度相关，表明RP蛋白在核糖体中的翻译水平与其mRNA水平成正比。一致地，RP基因的mRNA数据和核糖体剖面数据，按每个样本的总水平归一化，也显示了组织特异性和发育阶段特异性的簇。最后，在一个成人和胎儿组织蛋白表达水平的小数据集(24个)中，发现标准化的每个样本的RP蛋白水平被发现是组织和发育阶段特异性的。总的来说，这些结果支持了现有的支持核糖体异质性的文献，并表明功能异质性的核糖体群体可能对细胞生理学有意义，RP mRNA和CNV水平的显著异质性是组织和发育阶段特异性的。
数据精析
一、表达差异
1、正常人和人类肿瘤样本具有异质性的RP mRNA签名
作者对以下RNA-Seq mRNA数据进行差异分析：(1) GTEx来自53个正常组织类型vs.来自714个非患病个体的11,688正常样本;(2) TCGA33种实体癌症中的10,688个肿瘤样本；(3) 675个细胞株。三个数据集被分开分析以避免批量效应。作者使用t-SNE将归一化数据进行差异分析以获知RP mRNA签名的异质性。
2、RP mRNA的签名在正常的人类样本是组织特异性的
作者使用自组织映射(SOM)对每个样本进行独立的、无监督的分析，图1展示了正常样本的t-SNE簇映射到不同的组织。脑组织 (图1A)，以及消化系统(图1B)，内分泌系统样本(图1C)，软组织样本 (图1D)。在使用9个距离度量的t-SNE分析中也观察到了显著的聚类簇，表明结果对距离度量的选择不敏感。证实了这种组织特异性聚类(图1E-H)。
作为进一步的验证，使用UMAP对完整的GTEx数据集进行的独立分析再次证实了组织特异性聚类。总体而言，图1中聚集在一起的组织类型具有非常相似的RP签名。
为了研究这些组织特异性的RP簇是否映射到特定的RP签名，作者对GTEx数据应用了矩阵分解算法Onco-GPS-Map。以3个RP签名(因子)来捕获血液和大脑样本的变化(图2A-B)。图2C展示了每种组织类型映射到RP因子的组合。图2D-F显示了RP基因在血液、小脑、小脑半球和大脑(休息)簇之间的两两比较。
为了进一步验证这些发现，TuBA对血脑GTEx数据的双聚类分析确定了两个稳健的RP基因模块。
3、RP mRNA在人类肿瘤样本中的组织特异性特征
TCGA t-SNE簇也显示组织分层(图3)。图3A为神经和免疫系统肿瘤，图3B为消化系统肿瘤，图3C为内分泌系统肿瘤，图3D为泌尿系统肿瘤，图3E为前列腺癌(PRAD)、乳腺癌(BRCA)、卵巢癌(OV)、子宫颈癌(CESC)和子宫内膜癌(UCEC)形成不同的簇，而图3F中皮肤黑色素瘤(SKCM)和眼部黑色素瘤(UVM)各有两个簇。在使用9个距离度量的t-SNE分析中也观察到了类似的结果，表明结果对距离度量的选择不敏感。
SOM对图3A-F中每一组样本进行独立无监督分析，证实了这种组织特异性聚类(图3G - L)。
二、预后分析
1、6种肿瘤具有预后和基因组特征明显的RP mRNA亚型
图3A-F的t-SNE分析显示，几种TCGA肿瘤类型存在多个RP mRNA亚簇，提示存在具有明显RP mRNA特征的RP亚型。图4即展示了结合TCGA的临床资料，分析RP亚型有重大疾病相关的生存差异。发现一些RP基因(图4B)在RP亚型中mRNA水平显著升高，预后较差或较好。同时，发现在样本的亚群中有多组共表达的RP基因上调，与差异表达的RP基因相匹配(图4B)。
三、相关性分析
1、RPs双/单缺失在人类肿瘤中很常见
TCGA CNV数据的泛癌分析表明,1272例(11.7%)肿瘤的双重缺失一个或多个RP基因,发现每个RP基因删除至少一个肿瘤(图5A-B)。RPL13和RPL29双删除超过100个样本(图5B)，并且在一个样品中丢失了多达16个RPs的两个拷贝(图5C)。在所有33种癌症类型中都观察到RP基因的双重缺失(图5D)，总的来说，在TCGA中有8,910例(82.2%)肿瘤有一个或多个RP基因的单/双缺失。
2、CRISPR-Cas9敲除RPs的生存能力分析
作者分析了来自558个癌症细胞株(https://depmap.org)的CRISPR-Cas9筛选数据用于验证以上结果。由于细胞系跨越了超过25种组织类型的癌症，这些数据代表了RP单敲除在细胞/组织环境中的作用。如果所有的rp都是必要的，那么它们的gDS应该总是<−1。相反，74个RPs中有73个(除了RPS20)在一个或多个细胞株中具有gDS >−1(图6A-B)。每个细胞株，不论其癌症类型，都有一些具有gDS >−1的RP基因 (图6C)。具有gDS >−1的RP基因在每种癌症类型中都很丰富，在不同的癌症类型中有51-68个RPs具有gDS >−1(图6D)。总之，以上数据说明RPs在细胞系存活中的作用并不依赖于起源组织。
3、在人类和动物的组织和细胞培养RPs的核糖体分析和RNA-Seq数据高度相关
为了解决组织特异性RP mRNA水平差异是否与这些mRNA库在核糖体中翻译的水平相对应，作者分析了RNA-Seq的mRNA表达数据和核糖体分析数据。图7A-G显示了在人类、小鼠和大鼠的相同细胞/组织中，核糖体图谱中标准化的RP基因翻译水平与RNA-seq中RP基因mRNA表达水平的散点图。在不同组织/细胞类型中，RP基因的翻译水平和mRNA表达水平表现出高度一致的共变异。图7H为在每个样本中，RP基因的mRNA表达水平和翻译水平之间的显著相关性。这些结果表明，核糖体翻译RP转录本的水平与他们的mRNA水平成正比。
4、RP蛋白在人体中的丰度水平是发育阶段和组织特异性的
人类RP蛋白丰度水平处于发育阶段，作者对最近一项胎儿组织和正常成年人样本中纯化的初级造血细胞研究数据进行标准化。图8A展示了数据的主成分分析(PCA)清晰地区分了胎儿和成人组织。同样的组织类型在成人和胎儿组织中具有不同的RP蛋白特征(图8B-C)。一致地，成人组织对和胎儿组织对均显示出差异RP蛋白特征(图8D)。这些结果表明，类似于核糖体图谱测量的RP翻译水平，RP蛋白水平也具有发育阶段(成人与胎儿)和组织类型特异性。
全文总结
从本片范文中，我们可以学习到如何将临床试验数据与生信分析相结合，以此提升文章的层次。作者使用多种分析方法分析了各种大型数据集，以研究正常人体组织、癌症样本和细胞系中mRNA表达水平和核糖体蛋白(RPs)拷贝数变化的异质性。以及从CRISPR-Cas9敲除人类癌症细胞株中RPs。
对于匹配的核糖体分析和RPs在人类、小鼠和大鼠组织和细胞培养中的mRNA数据得出的总体结论是，转录组、翻译组、RPs的蛋白质组水平是高度可变的，具有强烈而一致的组织、环境和发育阶段特异性特征。肿瘤中RPs的双拷贝丢失，以及CRISPR-Cas9敲除细胞系中的几个RPs，不会导致核糖体功能的丧失。
作者分析中产生的主要问题是，人类核糖体在所有细胞和组织中，在所有条件下是否必须具有相同的蛋白质组成才能发挥作用呢？着取决于组织/细胞、环境和发育阶段。
好了，这篇高分生信文献就解读到这里了，下期再见了，拜拜！
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