革命性的方法将蛋白质分析和单细胞研究联系起来，以揭示疾病机制-辉骏生物

革命性的方法将蛋白质分析和单细胞研究联系起来，以揭示疾病机制

发布时间：2023-11-03 14:35:26作者：辉骏生物-fitgene

最近发表在《Cell》杂志上的一项研究中，研究人员将液体活检蛋白质组学与来自眼部细胞类型的单细胞转录组学相结合，追踪了房水（AH）中近6000种蛋白质的细胞起源。

细胞水平的分析在非再生组织和器官（如视网膜和大脑）中受到严重限制，因为直接活检会造成不可逆的损伤。局部富集液的液体活检可能是获得蛋白质组学的唯一途径。然而，蛋白质不能以细胞分辨率分辨。虽然单细胞核糖核酸（RNA）测序（scRNA-seq）和转录组学提供细胞水平的基因表达，但它们需要组织活检或仅限于尸检组织。此外，无法推断给定的信使RNA（mRNA）是否被翻译;因此，研究蛋白质组与人类疾病的相关性具有挑战性。

在人眼中已经鉴定出57种细胞，它们将蛋白质分泌到含有AH或玻璃体液的两个充满液体的腔室中。此外，眼液通过血眼屏障与血浆分离，这导致眼睛内的蛋白质组成不同。

在目前的研究中，研究人员应用高分辨率蛋白质组学来追踪玻璃体或AH中近6000种蛋白质的细胞起源。他们将这种方法称为“追踪多蛋白质来源的表达。他们从接受手术的患者的玻璃体或AH中获得了120份液体活检。来自57种眼细胞类型和15种眼外细胞类型的超过82000个单细胞的scRNA-seq数据与来自液体活检蛋白质组学的数据整合。

该团队在RNA-seq数据中确认了5923（99.5%）种蛋白质的基因表达。眼睛中有5887个局部表达的基因。对5923个基因的无监督聚类分析揭示了细胞类型依赖性聚类。此外，还鉴定了1920种细胞类型蛋白标记物，这些标记物在各自的细胞类型中表现出高度特异性表达。接下来，研究小组为个体视网膜，免疫和其他眼部细胞类型建立了细胞特异性标记物。

来自眼睛特异性细胞类型的蛋白质在AH中高度富集。接下来，研究小组检查了视网膜色素变性（RP）中哪些标记发生了改变，这是一种罕见的遗传疾病。视杆细胞特异性蛋白质受影响最大。

此外，RP中视网膜双极细胞、无长突细胞、视锥光感受器、血管内皮细胞和红细胞的标记蛋白减少。相反，其他视网膜细胞类型，如神经节细胞和水平细胞，不受影响。研究小组还测试了葡萄膜炎患者，并观察到来自几种免疫细胞（肥大细胞，B细胞，T细胞，巨噬细胞，中性粒细胞和透明细胞）的标志物显着增加。此外，他们还观察到葡萄膜炎对其他视网膜细胞类型的分子损伤，如无长突细胞、双极细胞和视锥细胞。

接下来，研究人员分析了糖尿病视网膜病变（DR）患者的液体活检，发现了免疫细胞，视网膜胶质细胞，周细胞和血管内皮细胞标记物表达的变化。一些肝脏蛋白也显著升高，表明DR中由于血-视网膜屏障的破坏而导致血管通透性增加。58个血管生成蛋白在DR中差异富集，29个蛋白在DR的非增殖期（NPDR）和增殖期（PDR）均显著增加，另外29个蛋白仅在PDR中增加。在这两个阶段中富集的蛋白质主要是周细胞和内皮细胞的衍生物。然而，PDR特异性蛋白质来源于完全不同类别的细胞，即免疫细胞（视网膜小胶质细胞、中性粒细胞和巨噬细胞），表明PDR在细胞和分子水平上不同于NPDR。

此外，作者分析了帕金森病（PD）患者的AH。在48种PD相关蛋白中，18种存在于AH中，包括9种显著增加的PD。

在几种视网膜细胞类型中存在分子功能障碍的证据，与PD患者视网膜内层中报告的解剖学变化一致。然而，也注意到不表现出解剖学变化的锥和杆光感受器的分子变化，这表明分子标记物可能比传统的结构或成像生物标记物更敏感。

接下来，该团队开发了一种用于眼睛年龄预测的人工智能（AI）模型。他们训练了一个XGBoost模型来预测实际年龄。最终的模型基于26种蛋白质;其中，20种蛋白质已知与衰老相关，但在分析的疾病中未被鉴定（作为生物标志物），除了一种蛋白质。最终模型在验证时表现出较强的年龄预测能力。该团队将该模型应用于与出生年龄无关的眼病患者。模型预测的NPDR患者的分子年龄比健康患者大12岁。PDR患者增加31岁，RP患者增加16岁，葡萄膜炎患者增加29岁。这表明患病眼睛的加速老化。在正常眼中，视网膜相关蛋白主要来源于周细胞、免疫细胞和内皮细胞。

接下来，建立了额外的AI模型，以根据这些细胞类型的特异性蛋白质来预测视网膜，免疫和血管年龄。这些模型揭示了特定于疾病的细胞类型的加速老化，即RP中的视网膜细胞、葡萄膜炎中的免疫细胞和PDR中的血管细胞。有趣的是，在没有可见视网膜病变体征的糖尿病患者中观察到视网膜和免疫细胞的加速老化。

总之，该团队证明了克里思方法在细胞水平上检查体内衰老和疾病机制的潜力。来自有限体积（50微升）生物液体的近6000种蛋白质被追溯到它们的细胞起源。

特定于细胞类型的AI衰老模型在评估分子年龄方面非常强大，为衰老和疾病提供了新的见解。总的来说，该研究将证明在确定细胞机制和确定疾病和衰老之间的相互作用至关重要。

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