分析测试百科网 > 行业资讯 > 微信文章

Nat Comm | 冷泠/李军/马洁/朱云平团队空间蛋白质组学绘制细胞外基质调控表皮生长图谱

精准医学与蛋白组学

2022.7.27

景杰生物 | 报道

人体皮肤由复层鳞状上皮、真皮以及各种基质细胞和细胞外基质 (ECM) 构成，具有柔而韧的结构，使其能够快速修复损伤。基底膜是真皮顶部的薄层，通过传输物理和生化信号来建立表皮细胞极性并保持皮肤组织的层次结构和功能，是决定表皮干细胞 (EpSC) 命运的独特生态位。然而，干细胞微环境是如何通过调节表皮干细胞的行为来维持组织内稳态以及其在皮肤疾病中的作用仍不清楚。

2022年7月12日，中国医学科学院北京协和医院冷泠/李军团队与国家蛋白质科学中心 (北京) 马洁/朱云平团队合作在权威期刊Nature Communications杂志上发表了题为Spatially resolved proteomic map shows that extracellular matrix regulates epidermal growth 的最新成果。研究利用基于质谱空间蛋白质组学技术构建了分层皮肤蛋白质图谱，提供了对ECM蛋白促进EpSC生长和功能的见解。该研究有利于未来皮肤溃疡或涉及表皮细胞功能障碍和再上皮化阻滞的难治性病变疾病的临床治疗。

研究者首先通过空间蛋白质组技术解析了六个皮肤层：角质层 (SC)，棘层 (GS)，基底层 (BL)，基底膜 (BM)，真皮浅层 (SD)，真皮深层 (DD) 的分子组成和皮肤结构特异性功能，并将这些数据与精确的解剖定位相结合，构建了人体皮肤的空间蛋白质组图谱。定量分析表明，不同皮肤层中 ECM 相关蛋白的水平没有显着差异，这意味着核心ECM及ECM 调节剂、ECM 相关蛋白和分泌因子在每个皮肤层中都发挥着重要作用。

图1 分层人体皮肤的空间蛋白质组结构

为了进一步系统阐释皮肤的结构与功能之间的关系，研究者确定了六个蛋白质模块，表征具有不同功能的皮肤层，这些区域特异性蛋白质与皮肤的功能差异有关。模块1代表六层中 SC 中蛋白质的最高浓度，它们参与衰老及抵抗外界刺激的过程，如调节水分流失、抗菌肽的产生和对光强度的反应。模块2和3分别代表成熟GS和增殖BL表皮中高度表达的蛋白质。GS 中富含的蛋白质位于 SC 附近，具有与 SC 相似的功能，例如衰老和抵御细菌，这些蛋白质明确参与了神经系统的发育，例如神经元分化，神经递质的胞吐作用及细胞迁移。BL中富集的蛋白质参与表皮细胞分化和增殖过程。

图2 六个蛋白质模块揭示基于皮肤结构的蛋白质组特异性

梅毒是由梅毒螺旋体 (T. pallidum) 引起的一种疾病，主要在二期梅毒患者皮肤组织的下表皮和上真皮中检测到，最初以皮肤病变为特征，最终会造成大脑、神经、眼睛或心脏的损伤。该研究进一步探究了表皮干细胞微环境如何影响其产生上述分层发育和功能极性，以二期梅毒患者皮肤组织为样本，进行了空间蛋白质组学分析。结果表明，二期梅毒皮肤干细胞的细胞周期和形态、汗腺和毛囊及关键的Wnt发育通路等都受到严重影响，并发生中性粒细胞和白细胞的聚集，以及固有免疫反应上调和趋化因子的产生。更重要的是，二期梅毒皮肤基底膜的多种蛋白组分缺失。

图3 基于空间蛋白质组谱的二期梅毒患者表皮功能障碍

在前期的研究中，冷泠和马洁团队发现一种干细胞微环境基质糖蛋白 (TGFBI) 随着皮肤衰老的过程表达减少，推测其在皮肤干细胞功能中具有重要作用[1]。接着，研究团队利用该蛋白构建了一种全层皮肤类器官，进一步证实该蛋白的潜在功能。在本研究中，研究者发现二期梅毒基底膜刚好缺失TGFBI，并通过原代分离/hiPSC诱导表皮干细胞、类器官和小鼠模型等多个研究体系揭示该基质蛋白可以通过Wnt通路促进二期梅毒皮损过程中表皮干细胞生长和功能恢复，佐证了之前的猜测。

图4 TGFBI 通过增强上皮再生促进皮肤伤口愈合

综上所述，该研究采用空间蛋白质组学技术构建了分层皮肤蛋白质组图谱，发现基质蛋白作为干细胞微环境在调控皮肤表皮干细胞生长中起着重要作用，并在微生物导致皮损或难愈性皮肤疾病的临床治疗中具有巨大的潜力。

基于质谱与成像的空间蛋白质组有助于全面了解细胞的复杂性，而且空间蛋白质组学与其他组学的结合，也将利于发现更多的生物信息。深入了解不同细胞调控层之间的串扰，从而加深对细胞表型和活动型的认识，获得组织空间层面的蛋白定位表达谱对于解析组织微环境、诊断及预后、以及精准医疗具有重要的价值。该研究也为空间蛋白组在细胞功能研究中的应用提供了经典的案例。