磷酸化蛋白组学多组学联合左心室辅助装置的心力衰竭患者新进展

前言

接受左心室辅助装置（LVAD）支持的慢性晚期心力衰竭（HF）患者亚组显示出显著改善的心脏功能和反向结构重塑（即，称为“应答者”）。同时，最近发表了一项多中心前瞻性研究RESTAGE-HF（D期心力衰竭缓解），表明LVAD支持与标准HF药物相结合可显著改善心脏结构和功能，从而出现LVAD撤机率高和出色的长期结局。尽管推动这种恢复的潜在分子机制在很大程度上是未知的，但这种有趣的现象提供了巨大的转化和临床应用前景。

2022年11月，美国犹他大学医学院Stavros G. Drakos研究团队在Circulation期刊（IF:39.918）发表了题为“Distinct Transcriptomic and Proteomic Profile Specifies Patients Who Have Heart Failure With Potential of Myocardial Recovery on Mechanical Unloading and Circulatory Support”的研究成果，作者对93名接受左心室辅助装置（LVAD）植入的心衰（HF）患者（25名应答者和68名无应答者）和12名非衰竭供体心脏的左心室组织进行了RNA转录组测序和磷酸化蛋白分析。通过超声心动图对患者进行前瞻性监测，以表征其心肌结构和功能。

研究思路

研究结果

1. 使用RNA转录组测序比较衰竭心脏和非衰竭供者之间的基因表达差异

本研究对84名接受LVAD植入的HF患者和9名接收非衰竭供体心脏患者进行了RNA转录组测序分析，总共鉴定到24045个转录本，其中788个转录本发生上调，553个下调（图1 B）。然后，使用KEGG数据库对这1341个差异调控转录本进行了通路分析，显著富集到包括补体级联通路（已知可调节缺血再灌注损伤中的炎症）和细胞外基质-受体相互作用等通路（图1 C）。

图1 | HFD、A10-FMT 和 Con-FMT 之间的肠道微生物群变化

2. 运用磷酸化蛋白质组学研究衰竭心脏和正常供体的丰度差异

本研究对29名接受LVAD植入的HF患者和10名接收非衰竭供体心脏患者进行了磷酸化蛋白组学分析，总共检测到2023个磷酸化肽段。通过计算分析，将这些磷酸肽中的443个映射到281个蛋白质上，这些蛋白质在HF患者中显示出丰度的改变（图1 D），通过对蛋白的富集分析确定了与肥厚型和扩张型心肌病有关的重要KEGG通路（图1 F）。

3. 数据集的比较

作者将本次研究的转录组测序和磷酸化蛋白质组学数据结果与以往发表的数据集进行了比较。此前有6项研究对HF患者的心脏组织进行了全基因组RNA测序，其中2项比较了未衰竭和衰竭组织，另外4项研究则将分析重点放在缺血和非缺血组织上。总的来说，本次比较结果较显示，作者的RNA测序数据中的差异表达转录本与Yang等人的数据有25%的重叠，但与Colak等人的微阵列数据只有7%的重叠（98个转录本）。基于质谱的蛋白质组学分析还没有被广泛地应用于HF患者的心脏组织样本，因此只有3项研究可供比较。其中两项研究使用了的普通蛋白质组学研究，如Stephens（主动脉瓣植入患者的蛋白质组学与健康供体的比较）和Colak的研究（扩张型心肌病患者移植时收获的心脏组织的蛋白质组学）；一项研究使用了心脏移植时缺血和非缺血心脏组织的磷酸化蛋白质组学。本次研究与Schechter等人和Colak等人的研究相比，只有4%的重叠（12个蛋白）。

4. 通过RNA测序比较应答者与非应答者

在评估了供体和HF样本之间的转录本和磷酸肽的差异后，作者又将分析的重点转移到区分LVAD卸载后能够恢复功能的心脏组织（应答者）和没有改善的组织（非应答者）之间的分子差异。本文对25个应答者和59个非应答者样本的RNA转录组测序数据进行了分析，确定了这两种组织类型之间有差异表达的29个转录本，其中包括在应答者样本中下调的5个和上调的24个转录本（图2 A）。使用Ingenuity Pathway Analysis对这29个转录本进行了生物信息学分析，在细胞成分（图2 B）和经典路径（图2 C）中有富集。此外，利用STRING对蛋白进行互作分析，确定细胞外基质、局灶粘附和细胞周期是这29个转录本代表的两个顶级互作网络（图2 D）。随后，提取了RNA测序数据中这两个网络所代表的单个转录本（图2E和2F），并显示与非应答者相比，应答者的转录本表达普遍增加。

图2 | 左心室辅助装置植入时应答者与无应答者的转录组谱

5. 通过磷酸化蛋白质组学分析反应者与非反应者

在磷酸化蛋白质组学分析中，比较了6个应答者和23个无应答者的心肌组织，鉴定到了93个差异磷酸化肽段，这些肽段映射到67个蛋白上，对蛋白进行功能富集发现显著富集到粘附连接、黏着斑和各种心肌病等途径（图3 A-3 C）。为了进一步阐明这些磷酸化蛋白发挥作用的生物过程和途径，使用CytoScape、ClueGo和CluePedia插件来进行KEGG及Reactome途径分析，建立了一个明显富集过程的网络（图3 D），其中包括肌肉收缩、收缩纤维、细胞凋亡和粘连结等。为了补充这一分析，还根据DAVID生物信息学资源将这67个蛋白质聚类为5个最有代表性的基因本体注释（凋亡、细胞周期、细胞骨架、粘附等信号；（图3 E），并以热图的形式展示出了这些类别中每个磷酸肽的具体丰度变化（图3 F-3 J）。

图3 | 左心室辅助装置植入时应答者与无应答者的磷酸化蛋白谱

6. 通过转录组学和磷蛋白组学鉴定的共同途径

然后，作者试图将本研究中使用的两个组学平台的信息结合起来，对供体与应答者、供体与无应答者、应答者与无应答者的RNA转录组测序和磷蛋白组学数据集的数据进行联合分析。在对供体应答者与无应答者比较时，sirtuin信号是两个组学数据集中唯一富集的通路。此外，粘附连接、细胞外基质和细胞周期是两个组学数据都富集到的条目，可用于区分应答者与无应答者（当比较应答者与无应答者或那些单独与非失败捐赠者比较时）。这些结果与数据集的单独分析是一致的，这些分析显示参与细胞周期或细胞外基质的转录物在应答者中普遍上调（图3 E-3 F），并在这些相同的途径中出现不同的磷酸化（图3 E-3 J）。图4 A和4 B展示了单个磷酸化蛋白或转录本映射到这2个关键途径（细胞周期、细胞外基质/局灶粘附）。

图4 | 响应者和非响应者患者的2个关键途径

研究结论

本研究通过磷酸化蛋白质组学、转录组测序等技术，对LVAD植入的心衰患者和非衰竭供体心脏患者的心脏组织进行了比较分析，扩大了对区分正常和衰竭心肌组织的分子基础的理解，并突出了在疾病期间被错误调节的关键途径，以及那些可能使机械循环支持和心室卸载后功能恢复的途径。这些发现可能有助于指导未来的临床策略，使晚期HF患者优先考虑心脏移植与LVAD治疗。此外，对确定新的HF治疗目标也有转化研究的意义。

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本文研究是第一个通过整合磷酸化蛋白质组学、转录组学来表征非衰竭和衰竭的人类心脏变化的研究，以确定能够定义心肌恢复患者的分子指标。这些发现可能指导患者选择先进的HF治疗方法，为新的治疗方法提供参考。

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