空间蛋白质组学：精准定位和定量蛋白质在生物体内的具体位置
空间蛋白质组学：精准定位和定量蛋白质在生物体内的具体位置
空间蛋白质组学是一种研究蛋白质在细胞和组织中的空间分布和定位的技术，它通过高分辨率成像技术与质谱分析，可精准定位和定量蛋白质在生物体内的具体位置。这一技术不仅可揭示蛋白质在细胞内不同区域的分布和功能，还可作为疾病诊断、药物靶点发现及生物系统时空调控机制研究的重要工具。
空间蛋白质组学技术原理
空间蛋白质组技术原理主要分为基于荧光的多重成像技术（Co-detection by indexing, CODEX）、基于组织成像质谱流式技术（Imaging mass cytometry, IMC）和基于激光捕获显微切割（Laser capture microdissection, LCM）三种技术。其中基于LCM的空间蛋白质组技术可获得更高深度的全蛋白质组信息，且可对更高精度和更小尺寸的感兴趣组织区域或细胞进行切取，经过优化的超微量样本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，助于研究人员进行进一步的研究分析。
空间蛋白质组学实验步骤
- 组织切片：收集新鲜组织样本，制备成包埋组织块或组织切片，如石蜡包埋组织、OCT包埋组织、FFPE切片、冷冻切片等。
- 切片染色：染色进行病理形态学观察，以精确定位病变形态、微环境和目标细胞群。染色方法，如HE染色、IHC、IF等。
- 显微切割：在显微镜下识别组织结构和感兴趣的区域，并对感兴趣的区域（Region of Interest，ROI）做精确标记，然后使用LCM系统精确切割这些区域。
- 样品处理：从组织切片中提取蛋白质并酶解消化成肽段，为质谱上机做准备。
- 质谱上机：样品于质谱仪进行检测。
- 数据采集：收集质谱数据，使用专业的蛋白质组数据分析软件如Spectronaut进行处理和分析，获取肽段和蛋白质的鉴定、定量等信息
- 生信分析：对获得的数据进行通路富集等生信分析。
近年来，空间蛋白质组学不仅是一个重要的科研领域，也是一个充满应用前景的技术领域，其发展对于解决医学和生物学中的多个关键问题具有重要意义。以下是两个具体的应用案例：
案例一：宫颈鳞状细胞癌的多组学分析
2023年11月，华中科技大学同济医学院附属同济医院在《Nature Genetics》期刊发表题为"Multiomic analysis of cervical squamous cell carcinoma identifies cellular ecosystems with biological and clinical relevance"的文章。研究团队通过单细胞RNA测序、空间转录组学和空间蛋白质组学的多组学分析，揭示了FABP5在TGFβ信号通路中的功能，及其在肿瘤与CAF相互作用中的重要性。
研究发现，恶性鳞状细胞表现出明显的瘤间异质性聚集，通过对恶性细胞进行非负矩阵分解（NMF）分析，确定了8种可反映不同肿瘤内表达异质性共同模式的肿瘤程序（MP）。其中，MP6、MP7和MP8代表了鳞状细胞分化不同阶段。空间转录组学数据显示，MP6区域周围的CAF表现出更高水平的免疫抑制性CAF（癌症相关成纤维细胞）标志物，这可能与TGFβ信号通路的激活有关；MP7区域的肿瘤细胞表现出与抗原呈递、免疫反应和免疫抑制分子相关的基因高表达，这表明MP7与免疫激活状态密切相关。
空间蛋白质组学提供了肿瘤微环境中蛋白质表达的空间分布信息，这对于理解肿瘤生物学和免疫微环境的复杂性至关重要。研究发现，MP6和MP7在蛋白质表达上存在显著差异，这些差异可能与它们的生物学功能和对治疗的响应有关。空间蛋白质组学数据支持FABP5在维持MP6状态中的关键作用，并揭示了FABP5在TGFβ信号通路中的功能，及其在肿瘤与CAF相互作用中的重要性。
案例二：COVID-19相关肺损伤的空间蛋白质组学研究
2024年2月，南方科技大学在《Cell reports》期刊发表题为"Deep spatial proteomics reveals region-specific features of severe COVID-19-related pulmonary injury"的文章。研究团队通过空间蛋白质组学技术构建了COVID-19肺损伤的区域分辨蛋白质图谱，揭示了与COVID-19相关的严重肺损伤的区域特异性特征。
研究团队对来自11名COVID-19患者和3名非COVID-19个体的尸检中的肺泡上皮细胞（AE）、支气管上皮细胞（BE）、血管（VE）这3种关键的肺组织样本进行了空间蛋白质组学研究，还研究了COVID-19肺部其他四种标志性病理改变的蛋白质组学，包括细支气管粘液塞（BMP）、肺纤维化（PF）、空域炎症（ASI）和增生性肺泡2型细胞（HAT2s）。
研究定量到了10075个蛋白质，经分析发现这些蛋白质存在区域特异性蛋白质失调，如在COVID-19患者的肺泡上皮、支气管上皮和血管等关键肺结构中识别出与非COVID-19对照组相比一系列的蛋白质和途径的失调。此外在支气管粘液栓、肺纤维化、空气间隙炎症和肺泡II型细胞等COVID-19肺部病变中，发现了细胞类型和功能标记物的区域特异性富集，在多个区域检测到与病毒进入和炎症反应相关蛋白质表达的增加，表明这些蛋白质可能是潜在的治疗靶点。
空间蛋白质组学的应用价值
空间蛋白质组学作为一种前沿技术，在科学研究中有着重要作用及意义：
- 揭示蛋白质的亚细胞定位和功能
- 深入理解疾病机制
- 推动个性化医疗的发展
- 帮助构建更准确的组织器官空间图谱
空间蛋白质组学不仅推动了生命科学的研究，也为未来的医学治疗提供了新的可能性。