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Nature热点技术｜探索空间奥秘：空间蛋白质组学开启空间组学研究新视角

鹿明生物

2023.7.27

空间蛋白质组引领新时代

随着科技的不断进步，我们对细胞和生物体内的各种分子和过程有了更深入的了解。然而，在过去的蛋白质组学研究中，对bulk组织块样本进行匀浆后检测，我们往往只能获得蛋白质的全局性均质化后的信息，而无法获得蛋白质的空间分布和细胞类型相关信息。随着空间蛋白组学的兴起，我们可以以前所未有的方式研究组织中蛋白质的定位信息和相关的细胞类型信息，为我们研究细胞和蛋白质在组织空间分布提供了全新的视角。

空间蛋白组学是一门涉及研究蛋白质在细胞和组织中的空间分布和相互作用的领域。它结合了高分辨率成像技术和蛋白质标记方法，或者通过激光显微切割技术结合高分辨质谱检测平台方法，获取蛋白质或相关分子在细胞或组织中的位置，提供了对蛋白质的空间定位的详细信息。

空间蛋白组技术分类

随着技术的不断创新和进步，空间蛋白组学技术变得更加灵活、高效，并提供了更丰富的信息来研究蛋白质在组织和细胞水平的空间分布和相互作用。目前空间蛋白组学技术只要包含以下几种：

最早的空间蛋白组学技术是免疫组织化学（IHC），它使用特异性抗体与组织中的目标蛋白质结合，并通过染色反应可视化目标蛋白质的位置和表达水平。

免疫荧光染色（IF）是在免疫组织化学基础上的进一步发展，它使用荧光标记的抗体来标记目标蛋白质，通过荧光显微镜可视化蛋白质的空间分布。IF技术具有高灵敏度和多色染色的能力，使其成为研究蛋白质亚细胞定位和相互作用的重要工具。

原位质谱成像（IMS）结合质谱分析和组织切片，可以在原位对组织中的蛋白质进行定量分析和成像。IMS技术的发展使得可以在组织中实现更高的空间分辨率和更准确的蛋白质定量。

如前文所述这些技术都主要是依赖抗原抗体结合的方式，在研究细胞异质性、疾病发生机制等领域具有很大的局限性，更多的是用于靶向检测关注的目的蛋白空间分布及验证，而想要进行大规模高深度的蛋白质检测分析就有些无能为力了。基于质谱的空间蛋白质组学技术正好弥补了这一空白，通过与激光显微切割技术结合，可实现对病理切片中特定空间位置组织微环境（如单细胞空间定位、组织结构等）在成像及蛋白表达等层面进行系统的定位、定性和定量分析，单个样本检测深度可达数千个蛋白。为揭示组织微环境高度异质性、不同细胞类型的空间分布、细胞间信号转导网络关系，及其对癌症等重大疾病的发展机制研究提供了重要的分析工具。

基于LCM-MS高分辨质谱的空间蛋白质组技术原理

基于高分辨质谱的空间可视化蛋白质组技术是一种集成高精准细胞识别、高准确度切割、高回收率收集转移、以及高灵敏度样品前处理的系统方案，主要包括多重荧光免疫染色或HE染色，高精度激光捕获显微切割技术 (LCM) 切取感兴趣的组织区域或细胞，可以实现对单细胞分辨率的自由切割，再对超微量样本进行无损提取并酶切蛋白为肽段，进而使用高灵敏度质谱分析蛋白在不同空间位置的表达特征。

图1 空间蛋白质组流程图

该方案克服了传统方案技术流程中的诸多瓶颈，在精准切割、完整收集的基础上，对纳克级样品实现毫克级样品检测深度。可实现对病理切片中特定空间位置组织微环境（如单细胞空间定位、组织结构等）在成像及蛋白表达等层面进行系统的定位、定性和定量分析，为揭示组织微环境高度异质性、不同细胞类型的空间分布、细胞间信号转导网络关系，及其对癌症等重大疾病的发展机制研究提供了重要的分析工具。

空间蛋白组技术应用领域

空间蛋白组学的应用广泛而多样。它在亚细胞定位研究中发挥着重要作用。通过确定蛋白质在细胞中的位置和亚细胞定位，我们可以揭示其功能和相互作用。这有助于了解细胞器的定位和动态变化，从而更好地理解细胞内各个组成部分的功能。从而帮助我们更好地理解细胞内的信号转导和调控机制。

图2蛋白的空间定位

空间蛋白组学技术还在疾病研究中具有重要意义。通过比较正常和疾病状态下蛋白质的空间分布和相互作用，我们可以识别潜在的疾病标志物和治疗靶点，从而促进疾病的早期诊断和治疗。这对于癌症研究尤为重要，因为蛋白质在癌症发展和转移过程中起着关键作用。

发表在Nature正刊的题为“Proteomics reveals NNMT as a master metabolic regulator of cancer-associated fibroblasts”的文章，针对卵巢癌以及卵巢癌癌旁组织开展空间蛋白质组学分析，成功揭示了NNMT作为肿瘤转移的关键调控靶点，作者通过空间蛋白组学技术，揭示了癌细胞中蛋白质的异常定位和相互作用，为深入了解癌症的发病机制并发现潜在的治疗靶点提供了新思路。

除了在基础研究中的应用，空间蛋白组学技术还在药物研发领域发挥着重要作用。通过研究药物与蛋白质之间的相互作用和定位，我们可以评估药物的效力和特异性，优化药物设计和筛选过程。这有助于加速药物研发过程，提高药物的疗效和安全性。

总结起来，空间蛋白组学作为一门新兴的领域，为我们研究组织微环境异质性、不同细胞类型的空间分布、细胞间信号转导网络关系提供了全新的视角。通过空间蛋白组学技术的应用，可以深入了解蛋白质的功能、相互作用和在生物过程中的作用，为生命科学研究和医学应用提供了重要的支持。

鹿明生物即将推出基于LCM-MS高分辨质谱的空间蛋白质组技术服务，采用多重荧光免疫染色或HE染色成像技术实现组织区域或细胞类型识别，再结合新型激光显微切割技术实现在LCM平台上可视化成像观察及单细胞分辨率的切割，单个样本平均可检出7000-8000个蛋白。新品发布在即，敬请期待！

文末看点｜lumingbio

上海鹿明生物科技有限公司是欧易生物旗下从事蛋白质组及代谢组质谱检测的专业质谱组学服务公司。公司建有空间代谢组商业服务平台，深耕质谱组学检测分析，具体包括空间代谢组、双平台代谢组、靶向代谢组、TMT标记定量蛋白组、翻译后修饰蛋白组、4D-DIA蛋白组、单细胞及超微量蛋白组、空间蛋白组等。创新质谱组学平台广泛应用于机制解析、分型诊断、标志物筛选、药靶发掘等多个领域。公司并先后获得高新技术企业、上海市专精特新企业并建有院士专家工作站，自有包括tims tof pro2在内的各类大型质谱近二十台套，年服务项目超2000项。鹿明生物协助合作伙伴发表SCI论文近千篇，成功打造以硬数据、好服务为基础，以空间代谢组为特色的质谱组学检测服务公司品牌。