本文由brainnews脑科学世界团队原创编译|脑跨膜蛋白质组的多区域分析揭示了抑郁症的新调节因子本文由brainnews脑科学世界团队

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跨膜蛋白在介导大脑中的突触传递、可塑性和体内平衡方面起着至关重要的作用。
细胞表面跨膜蛋白主要由G蛋白偶联受体（GPCR），离子通道和转运蛋白构成，在大脑的神经元信号处理和可塑性中发挥重要作用。他们的许多家族成员，尤其是GPCR ，代表了中枢神经系统(CNS)疾病分子治疗最成功的目标。然而，由于这些跨膜蛋白具有很强的疏水性、相对较低的丰度和快速的更新，因此使用传统的蛋白质组学技术进行测量尤其具有挑战性。
在此背景下，来自上海科技大学iHuman研究所的水雯箐课题组与胡霁课题组和钟桂生课题组合作，于2021年7月21日在ScienceAdvances上发文，通过一种新的蛋白质组学方法揭示了小鼠抑郁模型大脑中的跨膜蛋白质组重构景观，并鉴定了两个以前未知的抑郁样行为的GPCR调节因子。

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1.通过单次DIAMS分析多个小鼠大脑区域的跨膜蛋白质组
作者收集了10个成年小鼠大脑核团分析脑中的跨膜蛋白表达。首先进行细胞膜分离以减少丰富的胞质蛋白并富集跨膜蛋白，并使用单次数据非依赖性采集（DIA）质谱分析来自单个大脑区域的蛋白质消化物。
鉴于使用传统蛋白质组学技术绘制GPCR具有挑战性，作者使用深度学习模型创建了一个GPCR家族靶向杂交文库（简称GPCR杂交文库），其中包含在小鼠基因组中编码的524个GPCR的完整补充。
使用GPCR杂交文库每个区域平均鉴定了108个GPCR蛋白质，而传统的DDA文库仅鉴定了平均65个GPCR蛋白质。除了GPCR外，跨膜蛋白质组分析鉴定并量化了10个大脑区域的170个离子通道和176个转运蛋白。

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图1小鼠大脑不同区域的跨膜蛋白质组分析
2.跨膜蛋白转录组和蛋白质组谱的比较
跨膜蛋白质组分析能够全面了解小鼠不同大脑区域的跨膜蛋白表达，可以将其与转录组水平的区域解析基因表达进行比较。主成分分析(PCA)和基于对所有跨膜蛋白定量的分层聚类树揭示了四个大脑区域集群：脑桥/髓质、脊髓/中脑、大脑皮层/纹状体/丘脑和嗅球/海马(HIP)/小脑。
相比之下，跨膜蛋白编码基因的转录组图谱显示不同脑区的连接模式，大脑皮层/HIP/杏仁核聚集得更紧密，小脑作为异常值脱颖而出。
在RNA-seq和蛋白质组学数据之间共享的1738个跨膜蛋白编码基因（中值Spearman相关系数， 0.39）中观察到mRNA和蛋白质丰度之间的适度相关性。 GPCR和转运蛋白家族成员的mRNA与蛋白质的相关性低于离子通道。
结果表明，基于DIAMS的蛋白质组分析提供了跨膜蛋白分布的高通量和准确测量，在许多情况下，这在很大程度上与转录本分布不一致。

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图2小鼠大脑中GPCR、离子通道和转运蛋白家族成员的深度蛋白质组覆盖率和可重复量化
3.富含GPCR和其他跨膜蛋白的大脑区域
使用区域平均蛋白质组学量化数据，确定了区域性升高的GPCR、离子通道和转运蛋白家族成员，这些成员分为三类：区域富集蛋白（丰度是所有其他大脑区域的两倍）、组-富集的蛋白质（两到四个大脑区域的丰度是所有其他区域的两倍）和增强的蛋白质（丰度是所有其他大脑区域中位数的两倍）。
在某些大脑区域中丰富的GPCR子集经历了异常明显的蛋白质合成、降解或运输调节。这以11个区域/组富集的GPCR为例，其mRNA与蛋白质呈负相关，包括来自趋化因子受体、肾上腺素能受体和神经肽Y受体家族的成员。