人类参考基因组极大推进了在基因、组织、细胞和单细胞水平的系统研究，但人们对介导组织 / 细胞变异和疾病表型的细胞机制知之甚少。人们期望通过研究蛋白质间的相互作用，加深对细胞和组织结构功能的理解。为此，需要一个类似人类参考基因组的蛋白组参考图谱，系统全面地涵盖人类蛋白质互作组信息，以利用蛋白质组学研究生物学机制。
从技术角度而言，在成千上万种细胞环境内检测内源的蛋白质 - 蛋白质互作（protein–protein interactions，PPIs）去获得蛋白参考图谱是不现实的。不过， 酵母双杂交（yeast two-hybrid，Y2H）可以高通量且系统地筛查蛋白质间的二元相互作用。
图片来源：Nature
2020 年 4 月 8 日，哈佛大学医学院，Dana-Farber 癌症研究所与加拿大多伦多大学等多家单位的研究人员们在Nature上共同发表文章《A reference map of the human binary protein interactome》，公布了目前为止最大规模的人类蛋白质互作参考图谱「HuRI」，达到以往研究规模的 4 倍。HuRI 涵盖了约 53,000 种蛋白质相互信息，与基因组和转录组数据整合将助于推进对孟德尔疾病的潜在分子机制的探究。
什么是 HuRI？
图 1 规模空前的 HuRI 产生过程
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人类基因组约有 17500 个编码蛋白的基因，该研究使用了 3 种 Y2H 方法检测 17500 种蛋白间的互作，每种方法重复 3 次，总计 9 次筛选达到了约 30 亿次测试（图 1a，b）。经验证后（图 1c），得到了涉及 8275 种蛋白质间的 52569 次互作。作者将其称为 HuRI，即人二元蛋白质互作组（human binary protein interactome）。其涵盖的互作信息量是以往报道的二元 PPI 的约五倍（图 1f）。
HuRI 可以做什么？
1. 通过互作界面预测蛋白是否共享互作分子
作者发现 HuRI 中有很多蛋白间的直接互作，由此猜测 HuRI 中具有相似互作界面的蛋白质（例如蛋白质 A 和 B）更有可能共享互作分子（例如蛋白质 C）。
结果发现确实如此，而且蛋白质 A 和 B 之间的互作界面通常非互补的互作界面，所以他们彼此之间通常不会发生互作。
另外，两个蛋白质间的序列越相似则越有可能共享互作分子。
2. 描绘细胞区室特异的蛋白互作
蛋白质在细胞内定位于特定的细胞区室，依赖于亚细胞环境和 PPI 网络来执行他们的功能。虽然已有蛋白质组数据库可以提供单个蛋白质的定位，但确定细胞定位特异的 PPI 网络仍然有难度。
作者发现，HuRI 均衡描绘了大量不同亚细胞区室内的蛋白定位。如果 HuRI 与蛋白质定位数据整合，可用于提示细胞定位特异的 PPI 网络，有助于研究特定亚细胞环境内的蛋白功能。
3. 揭示组织特异的蛋白互作网络
组织偏好性表达（tissue-preferentially expressed，TiP）基因数量不多，但他们可以协同合作来调节核心管家基因，完成组织特异的功能。该研究发现在 HuRI 中有许多 Tip 蛋白。
为了研究 TiP 蛋白在其组织环境中的互作网络，作者使用 HuRI 得到了 35 个组织中的蛋白质互作图谱，每个组织中都包含约 25,000 个 PPI。
在每个组织 PPI 网络中，作者特别专注了涉及 TiP 蛋白间的相互作用（图 2），发现了 TiP 蛋白和非 TiP 蛋白间有大量互作关系，但却很少与其他 TiP 蛋白发生互作。仅有 6 个组织中 TiP 蛋白彼此间互作密切，主要是一些特定表达的角蛋白或晚期角质化包膜蛋白。这可能是为了特定细胞环境的需求来调节和适应常见的细胞过程，组织特异的蛋白互作网络可以为探究这些细胞过程的形成提供有力证据。
图 2 组织偏好性的互作网络
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4. 提示组织特异性表型的分子机制
许多孟德尔疾病有组织特异性表型，疾病相关且组织特异表达的基因的突变会使人易患疾病，但还无法揭示真正的病因。这些突变影响的蛋白和其 PPI 有可能是真正导致组织特异性表型的原因。
作者以 PNKP 基因为例，展示 HuRI 如何推进探究组织特异性表型的分子机制。PNKP 突变与小头畸形，癫痫发作和发育迟缓有关。PNKP 致病性突变 Glu326Lys 不影响 PNKP 蛋白本身的 DNA 激酶或磷酸酶活性，该突变的致病机理尚不清楚。
作者通过 HuRI 发现，Glu326Lys 会干扰 PNKP 的 PPI 中的两个互作分子 SYNGR1 和 TRIM37，这两个互作分子在大脑中特异表达，可能影响大脑的 DNA 修复功能。而良性突变 Pro20Ser 则不会影响 PNKP 的任何 PPI。所以，HuRI 可以为阐明孟德尔病组织特异性表型的分子机制提供帮助。
总结
总体而言，该研究主要展示了迄今为止最大规模的人类二元蛋白质互作参考图谱「HuRI」。这个系统的全蛋白质组参考图谱包含了约 53000 种蛋白质之间的相互作用，它与基因组，转录组和蛋白质组数据整合可用于研究正常生理或病理细胞环境中的细胞功能。
非常有意义的是，通过 HuRI 识别的特定亚细胞中蛋白相互作用、组织特异性蛋白互作网络和疾病相关突变对蛋白互作的影响，可以帮助人们将基因组变异与表型结果联系起来，进一步加深理解致病机理或提供药物研发潜在靶点。
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2188-x
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