蛋白质二硫键异构酶（PDI，EC 5.3.4.1）是一种硫醇-二硫键氧化还原酶，在催化底物蛋白质中二硫化物的氧化和重排中起着至关重要的作用。在植物中，PDI主要参与调节种子萌发和发育，促进胚乳中储存蛋白的氧化折叠，也有助于花粉的形成。然而，PDI在根系生长中的作用以前没有研究过。
2024年3月，西北大学刘亚楠团队在IJMS（IF=5.6）上发表了题为“Integrated Transcriptome and Proteome Analysis Reveals the Regulatory Mechanism of Root Growth by Protein Disulfide Isomerase in Arabidopsis”的研究论文。该研究利用PDI小分子抑制剂16F16去除PDI基因，从而研究基因缺失对植物的影响。结果表明，16F16处理明显抑制拟南芥根系的生长。为了进一步研究16F16处理的影响，作者使用转录组测序和TMT定量蛋白质组学对处理过的根进行了表达谱分析。多组学联合分析揭示了16F16处理下拟南芥幼苗根系缩短的调控网络，主要涉及苯丙烷生物合成和植物激素信号转导途径。拜谱生物为该研究成果提供了转录组测序和TMT定量蛋白质组学技术，这项研究增强了我们对PDIs在拟南芥根系生长中的重要作用的理解，并为16F16处理后根部缩短的调节机制提供了见解。
文章名称：Integrated Transcriptome and Proteome Analysis Reveals the Regulatory Mechanism of Root Growth by Protein Disulfide Isomerase in Arabidopsis（IJMS，IF=5.6，2024.3）
客户单位：西北大学
研究材料：拟南芥
拜谱提供技术：转录组测序、TMT定量蛋白质组学
研究结果
1、16F16胁迫会抑制拟南芥根系生长
为了探究16F16处理对根系生长的影响，进行了根系伸长的剂量反应试验。结果表明16F16处理对拟南芥根系生长有显著抑制作用，且随着16F16浓度的增加，对根系的抑制作用逐渐增强。
2、差异表达基因（DEGs）和差异表达蛋白（DEPs）的分析及亚细胞定位
作者通过对16F16处理组和对照组进行转录组测序发现，16F16处理后共有994个差异表达基因，其中330个基因上调，664个基因下调。下调基因的数量远大于上调表达基因的数量。因此，可以推测16F16处理后PDI活性的抑制导致某些相关蛋白的折叠受到影响，从而抑制了相关基因表达的趋势（图1A）。
为了进一步研究拟南芥根缩短的分子机制，使用TMT蛋白质组学分析了对照组和处理组之间蛋白质谱的变化。共鉴定出120个DEPs，其中53个上调蛋白和67个下调蛋白，发现3个与拟南芥根系发育相关的DEPs均下调（图1B）。
亚细胞定位是决定蛋白质功能的关键因素。使用Uniprot网站对DEPs的亚细胞定位进行预测。根据预测结果，DEPs主要位于膜（33,40.24%）和胞质溶胶（13,15.85%）。DEPs主要定位于细胞膜这一事实进一步支持了先前的发现。因此，定位于膜的DEPs对16F16处理有反应，并可能影响拟南芥幼苗的根长发育（图1C）。
图1|DEGs和DEPs的分析以及DEPs的亚细胞定位(图源：Liu Y., et al., IJMS., 2024)
3、差异表达基因和差异表达蛋白质的通路分析
为研究拟南芥根系在16F16处理后的调控机制，通过GO富集分析对DEGs和DEPs的功能特征进行分类。对于转录组测序，GO分类结果显示，BP类别中显著富集的DEGs注释为“对刺激的反应”、“对压力的反应”和“对化学的反应”，基因数分别为344个、231个和194个（图2A）。上述生物过程中下调基因的比例很高，表明16F16处理可能主要通过抑制与刺激反应、胁迫反应和化学反应相关的过程来降低植物对胁迫的反应。KEGG通路分析表明，DEGs在“苯丙烷生物合成”、“植物-病原体相互作用”、“植物激素信号转导”、“淀粉和蔗糖代谢”和“MAPK信号通路-植物”等途径中富集。除植物激素信号转导通路外，其他4种通路中下调基因较多（图2B）。
通过蛋白质组学结果分析发现，KEGG中显著富集的前10个是“苯丙烷类生物合成”、“光合作用”、“各种植物次生代谢物的生物合成”、“次生代谢物的生物合成”以及“代谢途径”（图2D）。
图2|差异表达基因和差异表达蛋白质的通路分析、(图源：Liu Y., et al., IJMS., 2024)
4、蛋白质组学和转录组学联合分析
为了揭示DEGs和DEPs之间的相关性，作者对转录组和蛋白质组进行了联合分析。共检测到16个共有DEGs，15个DEGs表达趋势相同，1个DEGs表达趋势相反。随后进行了KEGG富集分析，结果表明DEGs和DEPs高度富集了苯丙烷类生物合成途径，再次表明苯丙烷类生物合成途径是影响拟南芥幼苗根系发育的重要途径（图3)。
图3|转录组和蛋白组的联合分析(图源：Liu Y., et al., IJMS., 2024)
拜谱小结
为了研究PDI对拟南芥根发育的影响，作者用16F16对拟南芥进行应激处理，通过多组学分析以及遗传学、细胞生物学和生物化学实验，发现拟南芥根系的生长和发育受16F16的抑制且呈现剂量依赖性。本研究揭示了AtPDIs在根系生长发育中的潜在功能和机制，为未来PDI在拟南芥或其他植物中的功能研究奠定了基础。这一过程中拜谱生物提供了转录组测序、TMT定量蛋白质组学技术，拜谱生物可提供完善成熟的转录组学、蛋白组学、代谢组学以及多组学联合分析等组学技术服务产品体系，助力发表高分文献，欢迎致电咨询！
参考文献：Liu Y, Song P, Yan M, Luo J, Wang Y, Fan F. Integrated Transcriptome and Proteome Analysis Reveals the Regulatory Mechanism of Root Growth by Protein Disulfide Isomerase in Arabidopsis. Int J Mol Sci. 2024 Mar 22;25(7):3596. doi: 10.3390/ijms25073596
