前言
植物在漫长的历史进化过程中要不断适应变化的地理和气候环境，从而形成了复杂多样的蛋白质、蛋白复合体和蛋白互作机制。然而，受限于植物基因组的复杂性、多倍体的存在以及遗传转化技术和转化效率等因素，在动物模型中有效应用的高通量蛋白互作研究方法在植物上并不能广泛适用。那么，有没有办法实现对多种植物中蛋白互作的高通量检测呢？最近发表在Cell上的一篇文章利用共分级分离质谱技术（co-fractionation MS，CF-MS）解决了这一难题。
基本信息
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文章题目：A Pan-plant Protein Complex Map Reveals Deep Conservation and Novel Assemblies
期刊：Cell
发表时间：2020.04.16
研究背景
CF-MS适用于任何生物体相互作用蛋白的高通量检测，无需抗体或单体蛋白的转基因抗原决定簇标记。CF-MS技术首先利用色谱分离天然蛋白提取物，然后利用质谱确定每个生化组分中的蛋白质。当测定多个不同的分离物时，作为物理关联的证据，分离物中蛋白质的共洗脱（CF）是确定蛋白互作的严格判断信号（Wan et al.，2015）。在多个不同物种中观察重复的CF，可以减少物种特异性的假象，并增加发现保守的、更有可能的功能互作的能力。此外，使用机器学习方法可以严格控制蛋白互作的错误判断。
在这项研究中，作者收集了大量且多样的植物CF数据，在统计计算帧工作中定义了高置信的蛋白-蛋白互作，回收已知复合物，并鉴定了在植物中存在超过10亿年的保守的新型复合物。多个新发现的复合物与农业重要特性直接相关。总体而言，由此产生的一组蛋白质丰度和稳定蛋白质互作图将有助于解释机制、进化和生化框架中的植物基因功能。
研究结果
1. 通过质谱分析，创建了一个大规模、多样并具有代表性的植物蛋白组数据集，涉及13个物种：拟南芥、甘蓝、大豆、大麻、番茄、藜麦、玉米、水稻、小麦、椰子、蕨类、江南卷柏、绿藻。这些物种在进化上跨越了10亿年。
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图1 | 确定稳定植物蛋白复合物的CF-MS集成流程
Figure 1．Integrative Co-fractionation Mass Spectrometry (CF-MS) Workflow Used to Determine Stable Plant Protein Complexes
2. 开发了一种进化性蛋白质分组方法，根据正交组（orthogroup，OG）而不是单个的蛋白对观察到的质谱结果进行解释，并对植物蛋白组的表达进行定性。一个OG是所用植物中的一系列基因，这些基因来自于这些植物的最后一个共同祖先的共同原始基因。利用这种进化信息策略，可以提高蛋白组学覆盖率，并实现不同染色体倍数的物种之间的比较。
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图2 | 通过将蛋白质分配到OGs中增强多倍体物种中的蛋白组。
Figure 2. Proteomics in High-Ploidy Species Enhanced by Assignment of Proteins to OGs
3. 对稳定的蛋白互作进行了系统识别和评估。基于已知复合体的观察数据，作者采用一种监督的机器学习的方法定量评估稳定互作蛋白的共洗脱行为，只有通过多重正交生化分离实验证明具有共分离行为的蛋白才被识别为蛋白互作。
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图3 | 蛋白共复合体互作的推导和广泛验证。
Figure 3. Derivation and Global Validation of Protein Co-complex Interactions
4. 通过独立检测和化学交联证实CF-MS互作。为进一步验证通过无偏见正交方法得到的蛋白复合体，作者采用了两个独立的验证方法。一种方法是用预期单体质量与观测质量对比，发现一定比例的蛋白洗脱质量远大于它们的单体质量，说明实验条件下内源复合物仍是不完整的。另一种方法是在分馏的大豆芽和Chlamydomonas 蛋白抽提物中通过化学交联共价结合蛋白进行验证，CF-MS评分高的蛋白对更易被交联。
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图4 | 通过校准分子质量测定和直接化学交联验证蛋白复合体
Figure 4. Protein Complexes Validated by Calibrated Molecular Mass Determination and Direct Chemical Cross-Linking.
5. 通过多蛋白复合物的鉴定证实了那些由基因成分推断的复合体，并揭示存在其他的复合体组件。
...图5 | 进化保守的植物蛋白复合体概述
Figure 5. Overview of Evolutionarily Conserved Plant Protein Complexes
6. 证实在植物代系中存在很明显的可替代的多蛋白组件。作者发现在很多植物中存在互作蛋白与其他谱系相关的可替代的重排，包括采用植物特定的亚基。
...图6 | 植物中存在的动物多蛋白复合体类似物的可替代组件
Figure 6. Alternative Assemblies in Plant Analogs of Animal Multi-Protein Complexes
7. 将CF-MS与表型相关联，从蛋白互作中挖掘蛋白功能和表型。本研究的大量数据将基因型与表型联系起来，并为获取共享表型的生化视角提供了基础。
图7 | 通过蛋白互作将植物基因与表型关联起来。
Figure 7. Connecting Plant Genes to Phenotypes via Their Interactions
结论
通过MS蛋白质组学定义植物间共享的主要蛋白质复合物，构建了可供参考的植物细胞基本生化"接线图"。深度蛋白组学数据从多个组织和不同物种捕获到了200多万种蛋白质丰度测量值，揭示了稳定、丰富的蛋白质复合物在超过 10 亿年的植物进化过程中保守存在。
参考文献
McWhite CD, Papoulas O, Drew K, Cox RM, June V, Dong OX, Kwon T, Wan C, Salmi ML, Roux SJ, Browning KS, Chen ZJ, Ronald PC, Marcotte EM. (2020) A Pan-plant Protein Complex Map Reveals Deep Conservation and Novel Assemblies. Cell https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.02.049.
Wan C, Borgeson B, Phanse S, Tu F, Drew K, Clark G, Xiong X, Kagan O, Kwan J, Bezginov A et al. (2015) Panorama of ancient metazoan macromolecular complexes. Nature 525, 339–344.
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