JUMPn：一种用于蛋白质组学中蛋白质共表达聚类与网络分析的简化应用程序

摘要

我们介绍一种用于定量蛋白质组学数据分析和可视化网络分析的系统生物学工具 JUMPn，并提供了详细的操作流程，包括数据预处理、共表达聚类、通路富集分析以及蛋白质-蛋白质相互作用网络分析。

摘要

随着基于质谱的蛋白质组学技术的最新进展，对数百个蛋白质组进行深度分析已变得越来越可行。然而，从这些宝贵的數據集中获得生物学见解仍具挑战性。本文介绍了一种基于系统生物学的软件 JUMPn 及其相关实验方案，该方案可将蛋白质组按样本间的蛋白质共表达聚类以及通过模块（例如蛋白质复合物）连接的蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络进行组织。JUMPn 软件基于 R/Shiny 平台，集成了数据可视化功能和用户友好的界面，可简化共表达聚类、通路富集分析和 PPI 模块检测的分析流程。本实验方案的主要步骤包括 JUMPn 软件的安装、差异表达蛋白质或（失调）蛋白质组的定义、有意义的共表达聚类和 PPI 模块的确定，以及结果的可视化。尽管本方案以基于同重标记的蛋白质组谱图为例进行演示，但 JUMPn 普遍适用于多种定量数据集（例如，无标记蛋白质组学）。因此，JUMPn 软件及其实验方案为定量蛋白质组学中的生物学解释提供了强有力的工具。

引言

基于质谱的鸟枪法蛋白质组学已成为分析复杂样品蛋白质组多样性的关键方法¹。随着质谱仪器技术^2,3、色谱技术^4,5、离子淌度检测⁶、采集方法（数据非依赖型⁷和数据依赖型采集⁸）、定量策略（多重等重肽段标记法，例如 TMT^9,10，以及无标记定量^11,12）以及数据分析方法/软件开发^{13,14,15,16,17,}

方案

注意：在本方案中，通过使用已发表的数据集来说明 JUMPn 的用法，该数据集利用 TMT 同重标记试剂对 B 细胞分化过程中的全蛋白质组谱进行定量分析²⁷。

1. JUMPn 软件的设置

注意：JUMPn 软件的设置提供两种选项：（i）在本地计算机上安装，供个人使用；（ii）在远程 Shiny 服务器上部署 JUMPn，供多位用户使用。对于本地安装，一台具备互联网连接且内存 ≥4 Gb 的个人计算机即可满足小样本量数据集（n < 30）的 JUMPn 分析需求；而大样本队列分析（例如 n = 200 个样本）则需要更大的内存（例如 16 Gb）。

1. 在本地计算机上安装软件。安装完成后，允许网页浏览器启动 JUMPn，并在本地计算机上运行分析。
   1. 按照在线说明安装 anaconda⁴² 或 miniconda⁴³。
   2. 下载 JUMPn 源代码⁴¹。双击解压下载的文件 JUMPn_v_1.0.0.zip；将创建一个名为 JUMPn_v_1.0.0 的新文件夹。
   3. 打开命令行终端。在 Windows 系统中，使用 Anaconda ....

结果

我们利用已发表的深度蛋白质组学数据集^25,26,27,30（图5 和 图6）以及数据模拟结果⁵⁷（表1）来优化并评估 JUMPn 的性能。在通过 WGCNA 进行共表达蛋白聚类分析时，我们建议将样本间显著变化的蛋白质作为输入（例如，通过统计分析检测到的差异表达（DE）蛋白）。尽管在分析中纳入非DE蛋白可能会导致程序返回更多的共表达簇（由于输入数据量更大），但我们推测，在系统水平分析中将真实信号（例如DE蛋白）与背景信号（其余非DE蛋白）混合可能会稀释信号，从而掩盖潜在的网络结构。为验证这一点，我们在两种不同条件下进行了模拟分析：i）高度动态的蛋白质组（例如，在T细胞激活过程中有50%的.......

讨论

本文介绍了我们的JUMPn软件及其配套分析流程，该软件和流程已应用于多个研究项目，用于利用深度定量蛋白质组学数据解析分子机制^{25,26,27,30,64}。JUMPn软件及分析流程已实现全面优化，包括在共表达网络分析中纳入差异表达蛋白、整合高质量且全面的蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络、采用严格的统计分析方法（例如考虑多重假设检验校正），并配备简洁直观的用户界面。JUMPn鉴定出的多个蛋白模块已通过功能实验研究^25,27或独立的患者队列²⁶得到验证，表明JUMPn是一种有效识别多种生物学过程关键分子与通路的分析工具。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
配备 2.3 GHz 四核处理器并运行 OS 10.15.7 操作系统的 MacBook Pro。	Apple Inc.	MacBook Pro 13''	用于软件开发和测试的硬件
Anaconda	Anaconda, Inc.	版本 4.9.2	https://docs.anaconda.com/anaconda/install/
miniconda	Anaconda, Inc.	版本 4.9.2	https://docs.conda.io/en/latest/miniconda.html
RStudio	RStudio Public-benefit corporation	版本 4.0.3	https://www.rstudio.com/products/rstudio/download/
Shiny Server	RStudio Public-benefit corporation		https://shiny.rstudio.com/articles/shinyapps.html