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Nat Commun:4D-DIA蛋白质组学揭示早期COVID-19疾病的免疫抑制

2021-03-18
中科新生命
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基于新一代timsTOF Pro质谱仪的4D-蛋白组学,使临床转化蛋白组学将进入全新时代。捕集离子淌度技术(TIMS)和平行积累连续碎裂(PASEF)方法的引入,实现了蛋白质组、修饰组学在覆盖深度、灵敏度、稳定性方面的全面提升。在临床大队列样本分析方面,4D-DIA更是展现出的卓越稳定性。总之,基于4D质谱平台开发的高通量和高灵敏度临床蛋白组学方法,必将加速蛋白质组学向临床诊断中转化,在生物医学基础研究和临床诊断中有着广阔的应用前景。

COVID-19的爆发已成为全球性的大流行病,然而目前尚不清楚这种传染病的发病机制以及与其他肺炎驱动因素的区别。本期为大家带来的研究成果是一篇基于4D高通量蛋白质学技术在新冠病毒方面的研究。

2020年11月17日,北京大学医学部精准医疗多组学研究中心主任黄超兰教授,中国科学院高福院士,北京大学医学部精准医疗多组学研究中心陈扬副研究员,中国疾病预防控制中心病毒病预防控制所谭文杰教授共同通讯在Nature子刊Nature Communications(IF 12.121)在线发表题为《Immune suppression in the early stage of COVID-19 disease》的研究论文,研究人员使用4D-DIA定量蛋白质组学分析了来自COVID-19感染病例、健康供体和非COVID-19肺炎病例的尿液样本,分子变化表明免疫抑制和紧密连接(TJ)受损发生在COVID-19感染的早期。

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将COVID-19患者进一步细分为中度和重度类型后的研究显示,在感染后期的重症患者中也发现了某种程度激活的免疫应答。对于COVID-19这种不寻常的病毒感染发病机制,课题组提出“两阶段”的机理,提高了我们对COVID-19感染的临床特征的了解,并为将来的机理探索和治疗研究提供了资源。

研究材料:

37例尿液样本:健康对照(10例);COVID-19患者(14例);非COVID-19肺炎患者(13例)

技术方法:

DIA-PASEF蛋白组学(4D-DIA)

实验方法简介:

步骤1:COVID-19疾病的尿蛋白质组分析;

步骤2:在COVID-19疾病的早期阶段,免疫系统受到抑制;

步骤3:严重COVID-19患者的免疫反应被激活;

步骤4:讨论COVID-19发病机理的“两阶段”模型。

研究结果

1、COVID-19疾病的尿蛋白质组分析

利用4D-DIA蛋白质组学技术,在所有37个样品中总共鉴定出5991个蛋白质。与健康捐献者和非COVID-19肺炎对照相比,COVID-19组的1986种蛋白质水平发生了显著变化,其中下调的蛋白质比上调的蛋白质多十倍。KEGG富集分析揭示了与COVID-19感染相关的分子全景,发现十多个途径发生了显著变化,尤其是免疫相关途径、TJ途径和代谢途径等。

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2、在COVID-19疾病的早期阶段,免疫系统受到抑制

研究人员发现大量与免疫反应相关的蛋白下调,表明在COVID-19患者中免疫应答被抑制。在COVID-19患者中,蛋白酪氨酸磷酸酶受体C、瘦素和抗酒石酸酸性磷酸酶5的蛋白水平显著下降。这些结果与COVID-19患者血液检查中较低的淋巴细胞和血小板计数一致。补体C3、补体C1q亚基C、补体C1r亚基和PZP样含α-2-巨球蛋白结构域蛋白8下调,表明补体系统明显受损。FcγR介导的吞噬作用涉及的脾酪氨酸蛋白激酶水平显著降低,表明微噬细胞、嗜中性粒细胞、自然杀伤细胞和单核细胞的吞噬作用受到抑制。

研究者还观察到COVID-19患者中载脂蛋白A-IV(APOA4)和载脂蛋白E下调,这可能与巨噬细胞功能有关。此外,研究人员观察到趋化因子信号通路相关蛋白水平降低。

急性缺氧和ARDS是COVID-19患者高病死率的两个主要原因。肺泡上皮屏障通透性的显著增加是导致ARDS14低氧血症的主要因素之一。肺上皮的屏障功能取决于一组TJ异聚复合物,这些复合物可密封相邻上皮细胞之间的界面。在COVID-19患者中,许多涉及TJ形成和细胞-细胞粘附连接的蛋白质被下调,表明该病毒可能会在入侵过程中改变细胞间TJ的形成和上皮形态发生,进而破坏保护下面组织的物理屏障。

在COVID-19患者尿液中显著上调或下调的蛋白质中,金属硫蛋白-1G、脂蛋白脂肪酶、β2M、PRKACA、FOLR2和APOA4与健康对照组和非COVID-19肺炎病例相比均有显著变化。这些蛋白是用于COVID-19鉴别诊断以使其更精确的潜在生物标志物。值得注意的是,六种蛋白质中有四种与免疫应答和TJ相关。

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3、严重COVID-19患者的免疫反应被激活

据报道,细胞因子风暴发生在COVID-19患者的晚期,要了解COVID-19的发病机理,必须找出在疾病发展过程中发生了怎样的过渡。研究人员将COVID-19患者分为9例中度病例和5例重症病例。PCA显示中度和重度COVID-19患者存在良好的分离。GO富集分析表明,大多数上调蛋白都参与补体和凝血级联反应、自然杀伤细胞介导的细胞毒性和血小板活化等过程。

详细研究中度和重度亚组,发现在疾病的晚期,免疫应答被激活,这与严重和关键时期的COVID19患者中过度的免疫应答和细胞因子风暴相一致。研究还确定了两种特征蛋白,即免疫球蛋白λ变量3-25(immunoglobulin lambda variable 3–25)和延伸因子1-alpha 1(elongation factor 1-alpha 1),它们可能表征了COVID-19疾病两个阶段的进展。

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研究结果

多项研究表明,尿液样本中检测到的蛋白质成分可以真正反映出人体健康状况的变化。大部分尿蛋白来自穿过肾小球滤过屏障的血浆成分,以及来自肾脏和泌尿道的游离蛋白。因此,在不存在主泌尿疾病时,尿液的蛋白组成指示了一般健康状况。

本研究利用4D-DIA蛋白质组学技术发现了许多蛋白质的变化,揭示了感染初期免疫抑制和COVID-19患者紧密连接受损的情况。在感染后期也检测到一定程度的免疫激活。这些结果将为理解患者的临床症状提供重要的分子基础,并将阐明感染的两个阶段如何发生。在人类感染过程中,COVID-19的这些异常特征将指导人们进一步了解COVID-19的发病机理,助力机理研究和临床治疗。

COVID-19发病机理的“两阶段”模型


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