高深度蛋白质组

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经典案例

人类心脏不同区域与细胞类型的定量蛋白质组学研究

Region and cell-type resolved quantitative proteomic map of the human heart

研究对象:人类心脏
期 刊:Nature Communications
影响因子:12.124
发表单位:德国心脏中心和Max Planck生化研究所
发表时间:2017年11月

一、研究背景

心脏是人体的重要器官,人的心脏在一生中平均跳动20亿次,每一次收缩都是由电信号和机械力之间错综复杂的相互作用所完成的。在解剖层面,心脏由四个腔体、四个瓣膜、大动脉和 静脉组成。心脏的细胞类型主要有四类,心脏成纤维细胞(CF)、心肌细胞(AF)、平滑肌细胞(SMC)和内皮细胞(EC)。但目前对于这四类细胞的数量比例仍然存在争议。与其他 肌肉组织一样,心脏收缩装置中少量的关键蛋白质支配完成心脏的收缩运动。心脏疾病是目前世界范围内的死亡主因,从生理学与病理学角度,研究心脏在空间与细胞水平上的分子特 征,将成为调查心脏疾病的重要切入点。

二、研究策略

取样策略

3个成年健康心脏,每个心脏按照解剖学采 集16份不同区域的样本,iST方法制备样品

质谱策略

高PH反相分馏为8个馏分,
label-free质谱分析,100min/馏分

信息分析

心脏蛋白质组图谱
不同心脏解剖部分的蛋白质组分析

三、研究结果

1.建立心脏蛋白质组图谱

本研究共鉴定到181814个unique peptides,匹配到 11236个protein groups。所有蛋白的平均序列覆盖率 为38%,不过高丰度蛋白具有较高的蛋白序列覆盖度, 如肌球蛋白调控轻链2(MYL7)序列覆盖率为100%。 MaxLFQ算法定量了11163个蛋白,10751个蛋白来自 心脏的16个解剖区域,10447个蛋白来自心肌的四种细 胞类型(图1d)。所有区域的蛋白质组学深度都很 高,包括4个心脏瓣膜区域,虽然它们主要由ECM组 成,但仍平均鉴定到了7800个蛋白。与“human draft-proteome”相比,蛋白鉴定数目是其三倍,且 大部分为低丰度蛋白。

2.不同心脏解剖区域的蛋白质组分析

为了全面评估16个心脏解剖区域的蛋白质组学相似性与差异性, 本研究采用了PCA分析的方法。来自不同样本的腔室蛋白、血管 蛋白和瓣膜蛋白各自清晰的聚集在一起(图2a)。三个组别的蛋 白区分,主要与MYL7、MYL5、COX7A1、SRL、TTN、胶原蛋 白(COL4A2, COL14A1)、整联蛋白(ITGA7, ITGA8和 ITGB1),以及双联蛋白聚糖(BGN)等相关。这些蛋白反应了 腔室与ECM成分丰富的血管与瓣膜之间的生物学差异,ECM成 分可作为本研究蛋白质组学分析的阳性对照(图2b)。
进一步定量研究不同细胞器的蛋白质组水平,本研究发现线粒体 蛋白占腔体蛋白总含量的21%(图3b),相比之下,HeLa细胞 中线粒体蛋白质占比7%,瓣膜和血管中占比3%

3.心脏蛋白质图谱在房颤中的临床应用

为了确认本研究结果是否可以作为健康心脏与患病心 脏之间分子差异的参考,研究人员后续收集了3位房颤 患者的左心房样本。房颤是最为常见的心率失常疾 病,是导致患者死亡的主要原因。借助iST样品制备方 法,本研究可以在不到2天的时间内对任何心脏样本进 行分析,其中300min为质谱检测时间(图4a)。通 过这种方法,研究人员对4147个健康心脏左心房蛋白 与3681份房颤患者左心房蛋白进行定量分析,与健康 样本相比,房颤样本104个蛋白显著下调,307个蛋白 上调(图4b)。

四、研究结论

本研究使用“loss-less”的高PH反相分馏和高分辨率质谱,定量检测心脏组织的不同区域与细胞类型的蛋白质组图谱。本研究鉴定到了超过11000种蛋白质,这是迄今为止针对人类健 康心脏进行的最深度的蛋白质组学。
本研究使用低微量样本,精简工作流程,在不到两天的时间内便可对心脏样本进行检测,为未来的临床应用提供了可能。在解剖层面,不同心脏区域的蛋白表达存在差异,为找寻可靠的 疾病标志物提供了可能。研究结果还显示房颤患者呈现与健康人群不同的蛋白质图谱,为找寻疾病病因提供了初步线索。