前言

2020年11月，哥本哈根大學諾和諾德基金會蛋白質(zhì)研究中心的科學團隊在Nature Communnications期刊發(fā)表的題為“Spatially and cell-type resolved quantitative proteomic atlas of healthy human skin”的文章，該研究利用4D-DIA蛋白組學平臺，結合先進的采樣策略，首次成功繪制健康人皮膚的蛋白質(zhì)組學圖譜，為研究人類皮膚的生物學和病理學提供了寶貴資源。

中文標題：健康人皮膚組織和不同細胞亞型的相對定量蛋白質(zhì)組圖譜

研究對象：人皮膚組織

發(fā)表期刊：Nature Communications

影響因子：14.919

發(fā)表時間：2020年11月5日

運用生物技術：4D-DIA蛋白組學技術

研究背景

人類皮膚充當身體和周圍環(huán)境之間的界面，提供基本功能，例如傳感和免疫保護。皮膚還提供身體保護免受傷害，并通過感覺神經(jīng)幫助控制體溫和我們對周圍環(huán)境的感知。皮膚是包含多個組織層和不同細胞類型的復雜器官，包括黑素細胞、內(nèi)皮細胞、角質(zhì)細胞、成纖維細胞和與皮膚相關的免疫細胞。但到目前為止，仍然沒有科學團隊在蛋白質(zhì)水平上對健康人類皮膚的分子組成進行過全面和定量的研究。

研究思路

研究結果

利用先進的分離技術獲取皮膚組織樣本以及不同類型的細胞

研究人員利用刮除術解剖內(nèi)表皮和外表皮，隨后對真皮和皮下組織進行穿孔活檢。然后通過酶解和流式細胞儀分離免疫細胞、黑素細胞和內(nèi)皮細胞等細胞類型，該研究包含了皮膚組織和存在于其中的主要細胞類型。

該研究中的皮膚組織材料來自6個個體，免疫細胞來自多達21個供體，共計60多個蛋白質(zhì)組樣本。研究團隊分別通過組織勻漿、加熱和超聲以及過夜胰酶消化等方法提取蛋白質(zhì)，之后進行質(zhì)譜分析，以獲取其蛋白質(zhì)組學信息。

皮膚組織以及細胞的DIA蛋白組學研究結果

研究人員利用4D-DIA蛋白組學技術對所有的皮膚組織以及細胞樣本進行蛋白組學與檢測，研究結果發(fā)現(xiàn)，我們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)蛋白質(zhì)(6025；56.3%)在所有四層中表達，而3631種蛋白 (33.9%)只在一些層中表達，但不是所有層，只有少數(shù)(569；5.3%)專用于一個特定層(圖2a)。這些發(fā)現(xiàn)與之前對其他組織的研究一致，這些研究表明大多數(shù)表達的蛋白質(zhì)在多個組織中是共有的類型，而蛋白質(zhì)豐度變化很大。

圖1 | 皮膚層及其細胞亞群的蛋白組學研究

圖2 | 人類皮膚的空間蛋白質(zhì)組梯度

皮膚中免疫活性蛋白的研究結果

4D-DIA蛋白組分析數(shù)據(jù)表明皮膚中存在大量的免疫活性蛋白，包含趨化因子(CXCL12/14)、抗菌肽(防御素β1/β2)、基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP2/3/9)和細胞因子。本研究檢測到了白細胞介素IL-1家族，并量化了它們的空間和細胞表達模式，包括IL-18、IL-37、IL-38和IL-36γ，它們主要在表皮層中檢測到(圖3)，IL-36α分布在皮下組織中，IL-33分布在真皮中的內(nèi)皮細胞。

在健康皮膚中沒有鑒定出已知導致炎癥性皮膚病如銀屑病(IL-17、IL-22和IL-23)和特應性皮炎(IL-4、IL- 5、IL-13)的醫(yī)學靶向細胞因子。總的來說，這些研究對人類皮膚不同結構區(qū)室和細胞類型中免疫活性蛋白的詳細定量蛋白質(zhì)組分析。

圖3 | 皮膚中白細胞介素1家族成員的表達水平

培養(yǎng)的成纖維細胞和角質(zhì)形成細胞的蛋白組研究

內(nèi)皮抑素(CD248/TEM1)以前曾被報道為皮膚成纖維細胞中的細胞內(nèi)表達蛋白。因此，作者研究了跨細胞類型的基于質(zhì)譜的豐度。內(nèi)皮抑素位于成纖維細胞蛋白質(zhì)組的前三分之一，而在任何其他類型的細胞中幾乎檢測不到。本次研究發(fā)現(xiàn)了許多在角質(zhì)細胞生物學背景下尚未進行功能表征的蛋白質(zhì)，包括TMEM40、FGFBP、CRCT1、EGFLAM、Anxa8AL1和NT5DC3(圖4g–j)。

相反，許多在體內(nèi)分化過程中被證明由角質(zhì)形成細胞表達的具有重要功能的蛋白質(zhì)在單層角質(zhì)形成細胞培養(yǎng)物中沒有被鑒定出來。其中有一些角蛋白，晚期角質(zhì)化包膜蛋白，如LCE1E，LCE1F，LCE6A和loricrin。

圖4 | 培養(yǎng)的成纖維細胞和角質(zhì)形成細胞的蛋白質(zhì)組

不同細胞類型中的蛋白質(zhì)組學分析

研究人員又對皮膚的組成細胞類型進行了深入分析，包括黑素細胞、內(nèi)皮細胞、巨噬細胞、樹突細胞、肥大細胞以及真皮和表皮T細胞。研究分析確定了不同的蛋白質(zhì)組在每個細胞類型中的表達模式。結果表明，不同細胞類型獨特的蛋白質(zhì)組能夠成功反映其差異生物學，比如CD1C在DC中特異高表達；CD163在巨噬細胞中的高表達等。本研究在每種細胞類型中都發(fā)現(xiàn)了以前與皮膚生物學沒有關聯(lián)的蛋白質(zhì)，這些新發(fā)現(xiàn)可能會為解決之前的皮膚相關難題提供新的思維。

圖5 | 皮膚相關細胞亞群的深度質(zhì)譜蛋白

研究結論

綜上所述，該研究全面系統(tǒng)描述了健康人類皮膚的高分辨率蛋白質(zhì)組學圖譜，包括對不同皮膚層和不同細胞類型的詳細研究，可為未來分析皮膚和免疫細胞功能研究提供豐富資源。并可作為皮膚疾病蛋白組相關研究的基礎，確定以前未被認識到的病理機制，甚至分析可能的治療新靶點，為個體化治療打開一扇新的大門。

小鹿推薦

4D-DIA蛋白組學是在質(zhì)譜數(shù)據(jù)采集時，高速、循環(huán)的將每個采集窗口內(nèi)的所有母離子及其子離子碎裂后的全掃描，而非根據(jù)母離子信號強度篩選后進行二級碎片再掃描的技術。因此DIA具有高通量、高分辨率、高可重現(xiàn)性、定量準確等優(yōu)點，而且樣本無需分級上機，極大的縮短了每個樣品的檢測時間，適合大樣本量的蛋白質(zhì)組研究。

4D-DIA蛋白質(zhì)組學是基于捕獲離子淌度的TimsTOF pro質(zhì)譜儀，已正式開啟掃描速度、檢測靈敏度、鑒定深度、檢測周期、定量準確性等性能全面提升的4D時代。

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本文系鹿明生物原創(chuàng)