2021-11-11 19:17:58, 景杰学术 杭州景杰生物科技股份有限公司
景杰学术 | 报道
阿尔兹海默症(AD)是一种与衰老相关的神经退行性疾病,生化和遗传证据的整合证实了AD的直观分子机制,引入了多种假说与模型。然而,介导Aβ和tau蛋白毒性的共识分子途径、细胞回路和病理生理机制尚未完全清楚。蛋白质组学技术的高速发展与应用,为精准了解AD患者大脑蛋白质网络的复杂变化,找到有效的预防、治疗药物提供了诸多裨益。
图、蛋白质组学与AD研究中的主要历史事件
近日,美国田纳西州圣裘德儿童研究医院彭隽敏教授、柏兵教授(本文的共同通信作者,现为南京大学医学院附属鼓楼医院副研究员)等在Molecular Neurodegeneration(IF=14.195)杂志发表了题为“Proteomic landscape of Alzheimer’s Disease: novel insights into pathogenesis and biomarker discovery”的综述文章,介绍了蛋白质组学、蛋白质修饰组学技术在AD发病机理与标志物鉴定中的最新进展及重要价值。
1、基于质谱的蛋白质组学在AD中的技术应用
基于质谱的蛋白质组学分析,通常由三个主要步骤组成: (i)质谱前样品处理,(ii)质谱数据采集,(iii)质谱后生物信息学,以实现对蛋白质进行鉴定和定量的目标(下图)。因为关键的调节蛋白通常在细胞中丰度较低,不能通过浅层蛋白质组学分析检测到,所以定量深度,即可鉴定的蛋白质数量,是评估发现蛋白质组学(Discovery Proteomics)技术不可或缺的度量。
图、蛋白质样品的质谱分析
2、对AD蛋白质组的无偏分析
表征大脑的整体蛋白质组学变化是近年来AD研究的焦点之一。彭隽敏教授、柏兵教授团队对五组近200例人脑皮层组织进行了全景式蛋白组学及磷酸化修饰组分析[1],总共鉴定到14,513个蛋白和34,173个磷酸化位点,达到了AD蛋白组学研究领域中前所未有的覆盖率和深度。研究鉴定到173个差异表达(DE)蛋白,分布于17条信号通路上,其中80%左右的蛋白是新发现蛋白,为疾病机制的揭示提供全新的线索。而在综述中,作者进一步对来自于3个独立研究团队的7个深度蛋白质组数据集进行整合分析,汇总共得到12017个蛋白质,同时揭示了不同细胞类型对AD发病机制的贡献(下图)。
图、整合7个深度AD数据集的Meta分析,鉴定出12017个蛋白质
3 、蛋白质组学图谱揭示AD进展机制
蛋白组图谱分析进一步揭示AD发展进程。如下图平衡模型所示,从轻度认知障碍(MCI)到AD的转变可能是由有害事件上调和保护事件减少引起的,这一变化过程与tau蛋白的病理性显著增加趋势一致。更重要的是,AD相关蛋白的功能在疾病的长期发展过程中很可能是多因素的,它们是否发挥保护或有害的作用取决于时间、区域和细胞环境。
图、AD疾病进展过程中有害和保护因素的平衡模型
4、AD中蛋白质组的翻译后修饰
蛋白质的功能除表达丰度外,还受到翻译后修饰(PTM)和动态蛋白相互作用的严格调控。例如,Tau蛋白聚集与广泛的PTMs相关,包括磷酸化、泛素化、乙酰化、甲基化、糖基化、类泛素化等。Tau蛋白的泛素化可能有助于纤维多样性[2];在AD中发现了过度磷酸化的tau蛋白和骨桥蛋白(SPP1)以及特异性的多泛素化链(Lys11、Lys48和Lys63)[3]。精确定量分析AD过程中PTMs,对于研究AD发病过程中的生化信号通路具有重要价值。
5 基于蛋白质组学的AD生物标志物的发现
基于质谱的脑脊液(CSF)蛋白质组学,在发现生物标志物方面取得了令人振奋的进展[1,4]。对于脑脊液、血液等富含高丰度蛋白的样本,高丰度蛋白会掩盖低丰度蛋白,影响对于低丰度蛋白质的鉴定。因此去除高丰度蛋白是提高其蛋白质组学鉴定深度的一种常用策略。通过对6个深度脑脊液数据集的Meta分析,研究总共得到5939个蛋白,其中包括311个上调蛋白和165个下调蛋白,为未来的验证提供了AD脑脊液蛋白质组的资源(图6)。
图、一个整合了6个深度脑脊液数据集的Meta分析
值得一提的是,整合脑脊液蛋白组和脑蛋白质组数据,将有助于特异性脑脊液生物标志物的选择。基于AD的血浆/血清样本、细胞外囊泡(EV)[5]等均可以用来进行更全面的分析,以用来探索新的AD生物标志物。
总之,蛋白质组学的发展为AD疾病机制及生物标志物的鉴定提供了有力武器,我们有望发现更多的分子改变和特征蛋白质,从而进一步揭示AD发病机制和潜在的生物标志物。蛋白质组学驱动的系统生物学为连接基因型、蛋白质型和表型提供了一个新的前沿,加速了改进的AD模型和治疗策略的发展。
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参考文献
1 Bai, B. et al., 2020, Deep Multilayer Brain Proteomics Identifies Molecular Networks in Alzheimer''s Disease Progression. Neuron.
2 Arakhamia, T. et al., 2020, Posttranslational Modifications Mediate the Structural Diversity of Tauopathy Strains. Cell.
3 Dammer, E. B. et al., 2011, Polyubiquitin linkage profiles in three models of proteolytic stress suggest the etiology of Alzheimer disease. J Biol Chem.
4 Wang, H. et al., 2020, Integrated analysis of ultra-deep proteomes in cortex, cerebrospinal fluid and serum reveals a mitochondrial signature in Alzheimer''s disease. Mol Neurodegener.
5 Cocozza, F., et al., 2020, SnapShot: Extracellular Vesicles. Cell.
6 Bai, B. et al., 2021, Proteomic landscape of Alzheimer''s Disease: novel insights into pathogenesis and biomarker discovery. Mol Neurodegener.
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