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Nat Commun:脓毒症引发器官特异性的血管表面蛋白组变化

发布时间: 2019-11-18
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脓毒症(Sepsis)是指由感染引起的全身炎症反应综合征,是一种微生物感染所引发的宿主反映失调的病症。脓毒症可导致血管功能障碍、器官衰竭甚至死亡,已成为ICU患者死亡的最重要原因之一。多器官衰竭是严重脓毒症的主要特征。然而为什么有些器官会在患者感染后更易发生功能失调甚至衰竭,其分子机制仍然不甚明了。

血管是各器官和血液的中间屏障,是研究脓毒症所引起的器官衰竭的重要切入点。不同的血管床可能由于其独特的细胞表面蛋白组和糖组构成,表现出对脓毒症因子的不同相应。糖萼是血管内皮屏障的重要组成部分,是覆盖于血管内皮细胞表面的多糖蛋白复合物的总称。然而,由于缺乏对活体内血管内皮糖萼的分子构成的理解以及有效的检测手段,之前的研究很难去深入观测脓毒症发生过程中血管表面蛋白组的真实反应及重构过程。

2019年10月11日,美国California大学的研究人员在著名学术期刊Nature Communications上发表论文,利用体内化学标记和高通量质谱技术对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(methicillin-resistant Staphylococcus aureus , MRSA)脓毒症小鼠模型,进行多器官血管表面蛋白组检测,以揭开血管在全身炎症反应过程中的变化情况。最终作者发现,MRSA脓毒症引起了血管表面蛋白组的显著重构,且具有器官特异性。

Nat Commun:脓毒症引发器官特异性的血管表面蛋白组变化

研究速读

一、小鼠器官特异性/非特异性血管蛋白组

作者首先采用灌流的方法对小鼠各器官血管内皮细胞表面蛋白进行磺基琥珀生物素(Sulfo-NHS-Biotin)特异性标记 (图1a),然后将肝脏和肾脏提取的蛋白进行链霉亲和素(streptavidin)富集(样本策略),并质谱检测。作者在肝脏和肾脏中分别鉴定到409个和533个血管表面蛋白,其中只有138个蛋白为俩个器官共有(图1b)。这些共有蛋白大多是参与到细胞黏附,血管的形态发生等生物学过程的(图1c)。

Nat Commun:脓毒症引发器官特异性的血管表面蛋白组变化

图1、小鼠不同器官血管表皮蛋白

二、MRSA感染诱发小鼠多器官血管表面蛋白组重构

2.1 器官特异性血管表面蛋白组变化

研究者分别对金黄色葡萄球菌感染的脓毒症小鼠以及阴性对照组小鼠进行五类(肝脏/肾脏/心脏/脑组织/白色脂肪组织 WAT)的样本收集,并提取蛋白,链霉亲和素富集,进行质谱鉴定。结果显示五种不同组织中血管表皮蛋白组在细菌侵染后都呈现出不同程度的波动及重构,表达量产生显著变化的蛋白数量分别为:肝脏272个,肾脏300个,心脏275个,大脑75个以及WAT 185个(图2a&c)。而在所有样本中,只有肝脏血管表面蛋白组构成能够通过PCA将侵染/未侵染/PBS对照组彻底区分,肾脏和大脑表现出相似的PCA趋势(图2b)。

Nat Commun:脓毒症引发器官特异性的血管表面蛋白组变化

图2、MRSA感染诱发小鼠多器官血管表面蛋白组重构

2.2 多器官共有血管表面蛋白在脓毒症中的变化

在所有鉴定到的蛋白中,只有57个蛋白在五种不同器官/组织样本中被共同检测出(图3a)。通过功能富集分析,发现这些共有蛋白主要参与到和凝血,ECM重构等相关生物学过程(图3b)。尽管这些蛋白为各器官共有,但是他们在细菌侵染后的表达量波动情况却截然不同(图3c&d)。

Nat Commun:脓毒症引发器官特异性的血管表面蛋白组变化

图3、多器官共有血管表面蛋白在脓毒症中的变化

综上所述,本文结合了生物素标记以及高通量质谱的技术,实现了对小鼠各器官血管表面蛋白组的检测分析。并且将这一技术组合成功应用到金黄色葡萄球菌感染的脓毒症小鼠模型,完成了对全身炎症反正过程中小鼠五种不同器官/组织血管表面蛋白的鉴定。最终发现血管表面蛋白的表达及侵染后波动呈现明显的器官特异性。

研究结果吻合了作者最初的猜测,不同器官之所以在脓毒症中表现出不同的衰竭速率与关键的器官/血液屏障,血管,密不可分。正是因为不同部位血管表面蛋白的构成各具特色,才导致了它们对脓毒症因子的不同反应。这项研究不仅成功创建了对血管表面蛋白的标记及分析技术流程,并且为脓毒症导致的多器官衰竭提供了更加丰富可靠的蛋白层面实验证据。

参考文献

Alejandro Gomez Toledo, et al., 2019, Proteomic atlas of organ vasculopathies triggered by Staphylococcus aureus sepsis. Nature Communications.

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