題目：Cell-specific proteome analyses of human bone marrow reveal molecular features of age-dependent functional decline
期刊：Nature Communications
影響因子：12.353
主要技術(shù)：TMT，Label free
研究背景
組織和器官老化的根本原因是干細(xì)胞的老化，隨著年齡的增長，造血干細(xì)胞數(shù)量和功能發(fā)生顯著變化。轉(zhuǎn)錄組學(xué)在少數(shù)細(xì)胞群中的相關(guān)研究已經(jīng)提供了潛在證據(jù)表明，這些變化和細(xì)胞衰老息息相關(guān)，但是對內(nèi)在機(jī)制仍然缺乏系統(tǒng)性研究。因此，作者希望能夠系統(tǒng)了解人類造血干細(xì)胞和祖細(xì)胞（HPC）衰老所涉及的分子機(jī)制，提供骨髓細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)內(nèi)人類衰老過程的蛋白質(zhì)組學(xué)特征圖譜。
研究內(nèi)容及結(jié)果
1. 蛋白質(zhì)組學(xué)分析
作者選擇了59名志愿者，年齡在20-60歲之間，包括45名男性和14名女性，抽取骨髓樣本進(jìn)行細(xì)胞分離，獲得六種細(xì)胞群：HPC、LYM（淋巴細(xì)胞和前體）、MON（單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞和前體）、GRA（粒細(xì)胞前體）、ERP（紅細(xì)胞前體）、MSC（間充質(zhì)干細(xì)胞/wd基質(zhì)細(xì)胞）（圖1a-b）用于后續(xù)蛋白質(zhì)組學(xué)分析。
為了同時評估與空間（細(xì)胞群）和時間（老化）變化衰老相關(guān)的分子變化，作者選擇使用兩種定量蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)——TMT和Label free，對上述六種細(xì)胞群進(jìn)行組學(xué)分析（圖1c），共鑒定到12158種蛋白質(zhì)（圖1d-e）。通過相應(yīng)亞群的已知細(xì)胞類型特異性標(biāo)記的豐度譜進(jìn)一步證實了數(shù)據(jù)集的可靠性（圖2a），并基于其分離相應(yīng)的細(xì)胞類型，驗證分析表明，蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)集是可靠的，可以解決跨細(xì)胞群的年齡依賴性差異問題。
作者發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)（73.3％）定量蛋白存在于一個以上的細(xì)胞群中，其中18.6％在六個亞群中同時存在，這種核心蛋白質(zhì)組具有基本的管家功能，但它們的豐度在不同的細(xì)胞群中不同，特別是在代謝途徑中（圖2c）。總的來說，核心蛋白質(zhì)組的不同表達(dá)豐度可以區(qū)分6個不同的細(xì)胞群（圖2b）。
圖1 蛋白質(zhì)組學(xué)實驗設(shè)計
圖2 蛋白質(zhì)組學(xué)分析結(jié)果
2. 衰老對蛋白質(zhì)組表達(dá)譜的影響
為了研究衰老與蛋白表達(dá)變化之間的關(guān)系，作者對組學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行Spearman's相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)衰老與許多蛋白質(zhì)顯著表達(dá)變化相關(guān)，而且這些差異表達(dá)蛋白與性別無關(guān)。此外，不同年齡相關(guān)的數(shù)據(jù)集僅在部分重疊，表明年齡對不同的細(xì)胞類型有明顯的影響。這可能反映了所研究的六個細(xì)胞群的不同半衰期。
隨后作者基于Reactome數(shù)據(jù)庫進(jìn)行通路分析（圖3a），揭示了顯著的細(xì)胞類型特異性和年齡相關(guān)的蛋白質(zhì)豐度變化。此外，作者也找到了一些在轉(zhuǎn)錄組層面報道的衰老標(biāo)志物，如隨著HPC老化，干擾素調(diào)節(jié)因子8（IRF8）和DNA甲基轉(zhuǎn)移酶1（DNMT1）表達(dá)量顯著下調(diào)。
圖3 不同細(xì)胞群中與衰老相關(guān)的通路分析
3. 衰老影響HPC碳代謝
作者發(fā)現(xiàn)，HPC蛋白質(zhì)的糖酵解途徑中，糖原分解代謝和脂肪酸β-氧化（FAO）中起重要作用的酶的差異表達(dá)與衰老密切相關(guān)。這些差異表達(dá)蛋白表明老年HPC與年輕HPC相比，代謝活性和特異性代謝合成活性增強(qiáng)（圖4），這是其他五個細(xì)胞群所沒有的。值得注意的是，這些蛋白差異表達(dá)變化僅影響消耗ATP并將葡萄糖轉(zhuǎn)化為磷酸二羥丙酮和3-磷酸D-甘油醛的糖酵解途徑的準(zhǔn)備階段，以ATP、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）和丙酮酸以及TCA循環(huán)的產(chǎn)生為特征的第二階段基本上不受影響（圖4a）。與老化合成代謝趨勢一致，HPCs的代謝組學(xué)分析（n?= 10，年齡：21-69歲）顯示磷酸戊糖途徑中的兩種代謝物，5-磷酸核酮糖和5-磷酸核酸在老年HPC中積累的趨勢（圖4b）。總體而言，在HPC中，衰老與中樞代謝途徑的重新布線和代謝中間體的重新布線相關(guān)，用于合成代謝過程和表觀遺傳過程中重要的輔因子。
圖4 衰老后碳代謝變化
4. 衰老時骨髓相對于淋巴樣分化較高
作者在HPC群體中發(fā)現(xiàn)了17種顯著差異蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)參與維持多能性或沿著髓系或淋巴譜系的分化。為了表征HPC與年齡相關(guān)的功能衰減，作者隨后分析了這些蛋白質(zhì)豐度隨時間變化的動態(tài)變化（圖5a），發(fā)現(xiàn)隨著HPC衰老，兩種與淋巴發(fā)育和功能直接相關(guān)的蛋白質(zhì)DNTT和BCL11A的表達(dá)顯著下調(diào)，異二聚體可溶性鳥苷酸環(huán)化酶（GUCY1A3和GUCY1B3），即一氧化氮（NO）的下游信號傳導(dǎo)效應(yīng)物，這兩種蛋白的表達(dá)顯著上調(diào)。環(huán)鳥苷酸通路信號傳導(dǎo)能夠調(diào)節(jié)造血功能，可能表明分化傾向于髓系。與淋巴細(xì)胞分化相關(guān)的蛋白如MME、IKZF1和EBF1隨著年齡增加表達(dá)量下降（圖5b）。形成鮮明對比的是，與骨髓譜系相關(guān)的蛋白質(zhì)如PTGS1、PSTPIP2和TBXAS1，隨著年齡增加表達(dá)量顯著上調(diào)（圖5c）。總之，作者證明了參與淋巴發(fā)育的蛋白質(zhì)豐度顯著降低，隨著HPC變老，與髓細(xì)胞和血小板分化相關(guān)的因子大量增加。
圖5 HPCs中差異表達(dá)蛋白隨衰老的變化
研究小結(jié)
作者利用TMT和Label free兩種定量蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)，研究衰老過程中HPC細(xì)胞群分化與功能衰退以及對骨髓分化的偏向，發(fā)現(xiàn)隨著HPC的衰老變化，中心碳代謝途徑特別是糖酵解途徑發(fā)生顯著改變，揭示衰老導(dǎo)致骨髓生態(tài)位的改變，并削弱了HPC歸巢所涉及的途徑的功能。
解析文獻(xiàn)
Marco L. Hennrich, Natalie Romanov, et al. Cell-specific proteome analyses of human bone marrow reveal molecular features of age-dependent functional decline. Nature Communications, 2018, 9: 4004.
?
Label-free是通過比較質(zhì)譜分析次數(shù)或質(zhì)譜峰強(qiáng)度，分析不同來源樣品蛋白的數(shù)量變化，認(rèn)為肽段在質(zhì)譜中被捕獲檢測的頻率與其在混合物中的豐度成正相關(guān)。因此，蛋白質(zhì)被質(zhì)譜檢測的計數(shù)反映了蛋白質(zhì)的豐度，通過適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)公式可以將質(zhì)譜檢測計數(shù)與蛋白質(zhì)的量聯(lián)系起來，從而對蛋白質(zhì)進(jìn)行定量。
TMT是一種多肽體外標(biāo)記技術(shù)，TMT試劑通過反應(yīng)基團(tuán)能夠高效地標(biāo)記酶解后的肽段。在一級質(zhì)譜圖中，分子量標(biāo)準(zhǔn)化基團(tuán)使任何一種TMT試劑標(biāo)記的不同樣本中的同一肽段表現(xiàn)為相同的質(zhì)荷比。在串聯(lián)質(zhì)譜中，報告基團(tuán)優(yōu)先斷裂，釋放報告離子。每個報告離子都有各自獨特的分子量，并且能夠在MS/MS分析中反應(yīng)出所標(biāo)記的多肽的樣品豐度，根據(jù)報告離子的信號強(qiáng)度值可獲得樣品間相同肽段的定量信息，再經(jīng)過軟件處理得到蛋白質(zhì)的定量信息。
金開瑞可提供TMT、Label-free定量蛋白質(zhì)組技術(shù)服務(wù)，助力您的文獻(xiàn)發(fā)表！
