4D-DIA蛋白组学平台首次成功构建人类皮肤蛋白质学图谱

前言

2020年11月，哥本哈根大学诺和诺德基金会蛋白质研究中心的科学团队在Nature Communnications期刊发表的题为“Spatially and cell-type resolved quantitative proteomic atlas of healthy human skin”的文章，该研究利用4D-DIA蛋白组学平台，结合先进的采样策略，首次成功绘制健康人皮肤的蛋白质组学图谱，为研究人类皮肤的生物学和病理学提供了宝贵资源。

中文标题：健康人皮肤组织和不同细胞亚型的相对定量蛋白质组图谱

研究对象：人皮肤组织

发表期刊：Nature Communications

影响因子：14.919

发表时间：2020年11月5日

运用生物技术：4D-DIA蛋白组学技术

研究背景

人类皮肤充当身体和周围环境之间的界面，提供基本功能，例如传感和免疫保护。皮肤还提供身体保护免受伤害，并通过感觉神经帮助控制体温和我们对周围环境的感知。皮肤是包含多个组织层和不同细胞类型的复杂器官，包括黑素细胞、内皮细胞、角质细胞、成纤维细胞和与皮肤相关的免疫细胞。但到目前为止，仍然没有科学团队在蛋白质水平上对健康人类皮肤的分子组成进行过全面和定量的研究。

研究思路

研究结果

利用先进的分离技术获取皮肤组织样本以及不同类型的细胞

研究人员利用刮除术解剖内表皮和外表皮，随后对真皮和皮下组织进行穿孔活检。然后通过酶解和流式细胞仪分离免疫细胞、黑素细胞和内皮细胞等细胞类型，该研究包含了皮肤组织和存在于其中的主要细胞类型。

该研究中的皮肤组织材料来自6个个体，免疫细胞来自多达21个供体，共计60多个蛋白质组样本。研究团队分别通过组织匀浆、加热和超声以及过夜胰酶消化等方法提取蛋白质，之后进行质谱分析，以获取其蛋白质组学信息。

皮肤组织以及细胞的DIA蛋白组学研究结果

研究人员利用4D-DIA蛋白组学技术对所有的皮肤组织以及细胞样本进行蛋白组学与检测，研究结果发现，我们发现大多数蛋白质(6025；56.3%)在所有四层中表达，而3631种蛋白 (33.9%)只在一些层中表达，但不是所有层，只有少数(569；5.3%)专用于一个特定层(图2a)。这些发现与之前对其他组织的研究一致，这些研究表明大多数表达的蛋白质在多个组织中是共有的类型，而蛋白质丰度变化很大。

图1 | 皮肤层及其细胞亚群的蛋白组学研究

图2 | 人类皮肤的空间蛋白质组梯度

皮肤中免疫活性蛋白的研究结果

4D-DIA蛋白组分析数据表明皮肤中存在大量的免疫活性蛋白，包含趋化因子(CXCL12/14)、抗菌肽(防御素β1/β2)、基质金属蛋白酶(MMP2/3/9)和细胞因子。本研究检测到了白细胞介素IL-1家族，并量化了它们的空间和细胞表达模式，包括IL-18、IL-37、IL-38和IL-36γ，它们主要在表皮层中检测到(图3)，IL-36α分布在皮下组织中，IL-33分布在真皮中的内皮细胞。

在健康皮肤中没有鉴定出已知导致炎症性皮肤病如银屑病(IL-17、IL-22和IL-23)和特应性皮炎(IL-4、IL- 5、IL-13)的医学靶向细胞因子。总的来说，这些研究对人类皮肤不同结构区室和细胞类型中免疫活性蛋白的详细定量蛋白质组分析。

图3 | 皮肤中白细胞介素1家族成员的表达水平

培养的成纤维细胞和角质形成细胞的蛋白组研究

内皮抑素(CD248/TEM1)以前曾被报道为皮肤成纤维细胞中的细胞内表达蛋白。因此，作者研究了跨细胞类型的基于质谱的丰度。内皮抑素位于成纤维细胞蛋白质组的前三分之一，而在任何其他类型的细胞中几乎检测不到。本次研究发现了许多在角质细胞生物学背景下尚未进行功能表征的蛋白质，包括TMEM40、FGFBP、CRCT1、EGFLAM、Anxa8AL1和NT5DC3(图4g–j)。

相反，许多在体内分化过程中被证明由角质形成细胞表达的具有重要功能的蛋白质在单层角质形成细胞培养物中没有被鉴定出来。其中有一些角蛋白，晚期角质化包膜蛋白，如LCE1E，LCE1F，LCE6A和loricrin。

图4 | 培养的成纤维细胞和角质形成细胞的蛋白质组

不同细胞类型中的蛋白质组学分析

研究人员又对皮肤的组成细胞类型进行了深入分析，包括黑素细胞、内皮细胞、巨噬细胞、树突细胞、肥大细胞以及真皮和表皮T细胞。研究分析确定了不同的蛋白质组在每个细胞类型中的表达模式。结果表明，不同细胞类型独特的蛋白质组能够成功反映其差异生物学，比如CD1C在DC中特异高表达；CD163在巨噬细胞中的高表达等。本研究在每种细胞类型中都发现了以前与皮肤生物学没有关联的蛋白质，这些新发现可能会为解决之前的皮肤相关难题提供新的思维。

图5 | 皮肤相关细胞亚群的深度质谱蛋白

研究结论

综上所述，该研究全面系统描述了健康人类皮肤的高分辨率蛋白质组学图谱，包括对不同皮肤层和不同细胞类型的详细研究，可为未来分析皮肤和免疫细胞功能研究提供丰富资源。并可作为皮肤疾病蛋白组相关研究的基础，确定以前未被认识到的病理机制，甚至分析可能的治疗新靶点，为个体化治疗打开一扇新的大门。

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4D-DIA蛋白组学是在质谱数据采集时，高速、循环的将每个采集窗口内的所有母离子及其子离子碎裂后的全扫描，而非根据母离子信号强度筛选后进行二级碎片再扫描的技术。因此DIA具有高通量、高分辨率、高可重现性、定量准确等优点，而且样本无需分级上机，极大的缩短了每个样品的检测时间，适合大样本量的蛋白质组研究。

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本文系鹿明生物原创