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

發(fā)布時(shí)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(xiàng)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(xì)胞類型的單細(xì)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(xì)胞起源。

細(xì)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(yán)重限制，因?yàn)橹苯踊顧z會(huì)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(xì)胞分辨率分辨。雖然單細(xì)胞核糖核酸（RNA）測序（scRNA-seq）和轉(zhuǎn)錄組學(xué)提供細(xì)胞水平的基因表達(dá)，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(xì)胞，它們將蛋白質(zhì)分泌到含有AH或玻璃體液的兩個(gè)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(xì)胞起源。他們將這種方法稱為“追蹤多蛋白質(zhì)來源的表達(dá)。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(xì)胞類型和15種眼外細(xì)胞類型的超過82000個(gè)單細(xì)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(tuán)隊(duì)在RNA-seq數(shù)據(jù)中確認(rèn)了5923（99.5%）種蛋白質(zhì)的基因表達(dá)。眼睛中有5887個(gè)局部表達(dá)的基因。對(duì)5923個(gè)基因的無監(jiān)督聚類分析揭示了細(xì)胞類型依賴性聚類。此外，還鑒定了1920種細(xì)胞類型蛋白標(biāo)記物，這些標(biāo)記物在各自的細(xì)胞類型中表現(xiàn)出高度特異性表達(dá)。接下來，研究小組為個(gè)體視網(wǎng)膜，免疫和其他眼部細(xì)胞類型建立了細(xì)胞特異性標(biāo)記物。

來自眼睛特異性細(xì)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(xì)胞特異性蛋白質(zhì)受影響最大。

此外，RP中視網(wǎng)膜雙極細(xì)胞、無長突細(xì)胞、視錐光感受器、血管內(nèi)皮細(xì)胞和紅細(xì)胞的標(biāo)記蛋白減少。相反，其他視網(wǎng)膜細(xì)胞類型，如神經(jīng)節(jié)細(xì)胞和水平細(xì)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(xì)胞（肥大細(xì)胞，B細(xì)胞，T細(xì)胞，巨噬細(xì)胞，中性粒細(xì)胞和透明細(xì)胞）的標(biāo)志物顯著增加。此外，他們還觀察到葡萄膜炎對(duì)其他視網(wǎng)膜細(xì)胞類型的分子損傷，如無長突細(xì)胞、雙極細(xì)胞和視錐細(xì)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(xì)胞，視網(wǎng)膜膠質(zhì)細(xì)胞，周細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞標(biāo)記物表達(dá)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(gè)血管生成蛋白在DR中差異富集，29個(gè)蛋白在DR的非增殖期（NPDR）和增殖期（PDR）均顯著增加，另外29個(gè)蛋白僅在PDR中增加。在這兩個(gè)階段中富集的蛋白質(zhì)主要是周細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)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(xì)胞，即免疫細(xì)胞（視網(wǎng)膜小膠質(zhì)細(xì)胞、中性粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞），表明PDR在細(xì)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(xì)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(bào)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(tuán)隊(duì)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(gè)XGBoost模型來預(yù)測實(shí)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(yàn)證時(shí)表現(xiàn)出較強(qiáng)的年齡預(yù)測能力。該團(tuán)隊(duì)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(xì)胞、免疫細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞。

接下來，建立了額外的AI模型，以根據(jù)這些細(xì)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(xì)胞類型的加速老化，即RP中的視網(wǎng)膜細(xì)胞、葡萄膜炎中的免疫細(xì)胞和PDR中的血管細(xì)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(xì)胞的加速老化。

總之，該團(tuán)隊(duì)證明了克里思方法在細(xì)胞水平上檢查體內(nèi)衰老和疾病機(jī)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(xì)胞起源。

特定于細(xì)胞類型的AI衰老模型在評(píng)估分子年齡方面非常強(qiáng)大，為衰老和疾病提供了新的見解?？偟膩碚f，該研究將證明在確定細(xì)胞機(jī)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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