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革命性的方法將蛋白質(zhì)分析和單細胞研究聯(lián)系起來，以揭示疾病機制

發(fā)布時間：2023-11-03 14:35:26作者：輝駿生物-fitgene

最近發(fā)表在《Cell》雜志上的一項研究中，研究人員將液體活檢蛋白質(zhì)組學(xué)與來自眼部細胞類型的單細胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)相結(jié)合，追蹤了房水（AH）中近6000種蛋白質(zhì)的細胞起源。

細胞水平的分析在非再生組織和器官（如視網(wǎng)膜和大腦）中受到嚴重限制，因為直接活檢會造成不可逆的損傷。局部富集液的液體活檢可能是獲得蛋白質(zhì)組學(xué)的唯一途徑。然而，蛋白質(zhì)不能以細胞分辨率分辨。雖然單細胞核糖核酸（RNA）測序（scRNA-seq）和轉(zhuǎn)錄組學(xué)提供細胞水平的基因表達，但它們需要組織活檢或僅限于尸檢組織。此外，無法推斷給定的信使RNA（mRNA）是否被翻譯;因此，研究蛋白質(zhì)組與人類疾病的相關(guān)性具有挑戰(zhàn)性。

在人眼中已經(jīng)鑒定出57種細胞，它們將蛋白質(zhì)分泌到含有AH或玻璃體液的兩個充滿液體的腔室中。此外，眼液通過血眼屏障與血漿分離，這導(dǎo)致眼睛內(nèi)的蛋白質(zhì)組成不同。

在目前的研究中，研究人員應(yīng)用高分辨率蛋白質(zhì)組學(xué)來追蹤玻璃體或AH中近6000種蛋白質(zhì)的細胞起源。他們將這種方法稱為“追蹤多蛋白質(zhì)來源的表達。他們從接受手術(shù)的患者的玻璃體或AH中獲得了120份液體活檢。來自57種眼細胞類型和15種眼外細胞類型的超過82000個單細胞的scRNA-seq數(shù)據(jù)與來自液體活檢蛋白質(zhì)組學(xué)的數(shù)據(jù)整合。

該團隊在RNA-seq數(shù)據(jù)中確認了5923（99.5%）種蛋白質(zhì)的基因表達。眼睛中有5887個局部表達的基因。對5923個基因的無監(jiān)督聚類分析揭示了細胞類型依賴性聚類。此外，還鑒定了1920種細胞類型蛋白標(biāo)記物，這些標(biāo)記物在各自的細胞類型中表現(xiàn)出高度特異性表達。接下來，研究小組為個體視網(wǎng)膜，免疫和其他眼部細胞類型建立了細胞特異性標(biāo)記物。

來自眼睛特異性細胞類型的蛋白質(zhì)在AH中高度富集。接下來，研究小組檢查了視網(wǎng)膜色素變性（RP）中哪些標(biāo)記發(fā)生了改變，這是一種罕見的遺傳疾病。視桿細胞特異性蛋白質(zhì)受影響最大。

此外，RP中視網(wǎng)膜雙極細胞、無長突細胞、視錐光感受器、血管內(nèi)皮細胞和紅細胞的標(biāo)記蛋白減少。相反，其他視網(wǎng)膜細胞類型，如神經(jīng)節(jié)細胞和水平細胞，不受影響。研究小組還測試了葡萄膜炎患者，并觀察到來自幾種免疫細胞（肥大細胞，B細胞，T細胞，巨噬細胞，中性粒細胞和透明細胞）的標(biāo)志物顯著增加。此外，他們還觀察到葡萄膜炎對其他視網(wǎng)膜細胞類型的分子損傷，如無長突細胞、雙極細胞和視錐細胞。

接下來，研究人員分析了糖尿病視網(wǎng)膜病變（DR）患者的液體活檢，發(fā)現(xiàn)了免疫細胞，視網(wǎng)膜膠質(zhì)細胞，周細胞和血管內(nèi)皮細胞標(biāo)記物表達的變化。一些肝臟蛋白也顯著升高，表明DR中由于血-視網(wǎng)膜屏障的破壞而導(dǎo)致血管通透性增加。58個血管生成蛋白在DR中差異富集，29個蛋白在DR的非增殖期（NPDR）和增殖期（PDR）均顯著增加，另外29個蛋白僅在PDR中增加。在這兩個階段中富集的蛋白質(zhì)主要是周細胞和內(nèi)皮細胞的衍生物。然而，PDR特異性蛋白質(zhì)來源于完全不同類別的細胞，即免疫細胞（視網(wǎng)膜小膠質(zhì)細胞、中性粒細胞和巨噬細胞），表明PDR在細胞和分子水平上不同于NPDR。

此外，作者分析了帕金森?。≒D）患者的AH。在48種PD相關(guān)蛋白中，18種存在于AH中，包括9種顯著增加的PD。

在幾種視網(wǎng)膜細胞類型中存在分子功能障礙的證據(jù)，與PD患者視網(wǎng)膜內(nèi)層中報告的解剖學(xué)變化一致。然而，也注意到不表現(xiàn)出解剖學(xué)變化的錐和桿光感受器的分子變化，這表明分子標(biāo)記物可能比傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)或成像生物標(biāo)記物更敏感。

接下來，該團隊開發(fā)了一種用于眼睛年齡預(yù)測的人工智能（AI）模型。他們訓(xùn)練了一個XGBoost模型來預(yù)測實際年齡。最終的模型基于26種蛋白質(zhì);其中，20種蛋白質(zhì)已知與衰老相關(guān)，但在分析的疾病中未被鑒定（作為生物標(biāo)志物），除了一種蛋白質(zhì)。最終模型在驗證時表現(xiàn)出較強的年齡預(yù)測能力。該團隊將該模型應(yīng)用于與出生年齡無關(guān)的眼病患者。模型預(yù)測的NPDR患者的分子年齡比健康患者大12歲。PDR患者增加31歲，RP患者增加16歲，葡萄膜炎患者增加29歲。這表明患病眼睛的加速老化。在正常眼中，視網(wǎng)膜相關(guān)蛋白主要來源于周細胞、免疫細胞和內(nèi)皮細胞。

接下來，建立了額外的AI模型，以根據(jù)這些細胞類型的特異性蛋白質(zhì)來預(yù)測視網(wǎng)膜，免疫和血管年齡。這些模型揭示了特定于疾病的細胞類型的加速老化，即RP中的視網(wǎng)膜細胞、葡萄膜炎中的免疫細胞和PDR中的血管細胞。有趣的是，在沒有可見視網(wǎng)膜病變體征的糖尿病患者中觀察到視網(wǎng)膜和免疫細胞的加速老化。

總之，該團隊證明了克里思方法在細胞水平上檢查體內(nèi)衰老和疾病機制的潛力。來自有限體積（50微升）生物液體的近6000種蛋白質(zhì)被追溯到它們的細胞起源。

特定于細胞類型的AI衰老模型在評估分子年齡方面非常強大，為衰老和疾病提供了新的見解。總的來說，該研究將證明在確定細胞機制和確定疾病和衰老之間的相互作用至關(guān)重要。

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