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世界艾滋病日 | 蛋白质组学揭示HIV感染后,血液/精液外泌体组成的“危险”变化

发布时间: 2019-12-03
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2019年12月1日,是第32个“世界艾滋病日”(World Aids Day)。

艾滋病(AIDS)医学全称为“获得性免疫缺陷综合症(acquired immunodeficiency syndrome)”,是由人类免疫缺陷病毒(简称HIV)侵入人体后破坏人体免疫功能,最后导致被感染者死亡的一种严重传染病。自1981年世界第一例艾滋病病毒感染者发现至今,短短30多年间,艾滋病在全球肆虐流行,已成为重大的公共卫生问题和社会问题。

2019年世界艾滋病日主题海报,来源: 疾病预防控制局

根据中国疾病预防控制中心(CDC)的数据,2012年至2018年期间,我国艾滋病的新发例数和死亡人数均呈逐年上升趋势,2019年1-7月新发例数39483例,死亡数11454例。根据统计数据,估计新发感染者每年8万例左右,全人群感染率约为9.0/万。

世界艾滋病日 | 蛋白质组学揭示HIV感染后,血液/精液外泌体组成的“危险”变化

2012-2018年中国AIDS人数变化,数据来源:中国CDC

艾滋病传播途径主要有性传播、血液传播、母婴传播三种。从传播途径来看,中国艾滋病防控工作取得显著成效,输血传播已基本阻断,经注射吸毒传播得到有效控制,母婴传播率处在历史最低水平。性传播是当前艾滋病的主要传播途径,占比超95%。

体液(包括血液和精液等)是HIV病毒传播的主要载体,然而,HIV感染后的细胞外蛋白,尤其是外泌体蛋白的谱系尚未被系统地鉴定。今天介绍的这篇文章,于2019年11月1日在线发表于蛋白质组学领域Top期刊Molecular & Cellular Proteomics上,是首次运用蛋白质组学技术,针对HIV感染后自体体液(血液、精液)及其外泌体进行的系统鉴定研究。

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外泌体是细胞外囊泡的一种,包含各种具有生物学活性的核酸和蛋白质,从而调节各种生理和疾病条件下的宿主反应。病毒感染会以体液特异性的方式影响外泌体的组成,然而其变化过程依旧未知。为此,研究者对生理和病理状态下的血液和精液中的外泌体及无外泌体血浆的蛋白质组进行了系统性解析,研究发现了外泌体在生殖和HIV发病机制中的重要性。研究还确定了血液外泌体和精液外泌体之间的功能差异,以及一组强大且独立的血液外泌体和精液外泌体标记,它们有望开发成为HIV感染的预测标志物。

尽管基于质谱的方法已经被用于描述外泌体蛋白,但没有一种方法将多种技术结合来分析捐赠者内部和捐赠者之间的外泌体蛋白。为此,作者专门设计了一套分析流程,不但能控制误差和噪音,还能避免在分析中先验地引入许多约束。这套流程被称之为“系统的多因素蛋白质组学分析”(systematic multifactorial proteomic profiling,SMPP)(图1a)。其优点是可以最大限度地减少外泌体蛋白质分类时的假阳性,以及低灵敏方法造成的II型错误。

作者通过SMPP方法将临床指导的自体血浆和精浆划分为:(I)血液外泌体-BE,(II)精液外泌体-SE,(III)无外泌体血浆-EFBP,和(IV)无外泌体精浆-EFSP(图1b)。NTA(图1c)和乙酰胆碱酯酶(AChE)的酶活性(图1d)分析揭示了外泌体浓度、大小和酶活性的变化会受到捐助者的影响。

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为了阐明血液和精液中的外泌体蛋白质组,作者使用多维蛋白质鉴定技术-MudPIT来进行分析,比较了来自BE、EFBP、SE和EFSP组分的蛋白质的相对丰度。通过结果表明,在BE及其对应的EFBP中存在着蛋白质区室化平衡。然而,SE在HIV-和HIV+样品中均显示出更高的蛋白质覆盖度,这表明与血液相比,精液中通常含有更多的蛋白质种类,或者含有较少的高丰度蛋白质 (例如免疫球蛋白)。

为了鉴定血液和精液共同的蛋白质组图谱,而不考虑隔室定位(外泌体和无外泌体)以及捐助者的生理或病理状态(HIV-和HIV+),作者使用了SMPP的逐级韦恩过滤分析。这一分析筛到8种蛋白质(ALB,SERPINA1,IGHG2,IGKC,IGHG4,CLU,IGHA1,IGHA2),这些蛋白质在血液和精液中是共同的,而不受区室或HIV感染的影响(图2a-c)。其中免疫球蛋白κ链蛋白(IGKC)可以作为体液蛋白质组的通用生物标志物,而凝集素蛋白(CLU)可以被认为是精液外泌体的潜在生物标志物(图2d)。

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图2: 比较自体血液和精液的外泌体蛋白质特征

作者还检测SE中是否含有与转录因子序列高亲和力的蛋白。通过EMSA分析,BE提取物不能与p65序列结合,而SE提取物则能引起NF-κB p65复合体的明显位移(图2e)。对EFBPs(HIV-和HIV+)和EFSPs(HIV-和HIV+)的分析表明,在无外泌体的组分中没有DNA结合活性,表明SE中的DNA结合蛋白存在区室化现象。此外值得注意的是,HIV并没有损害SE的DNA结合能力。因此以上数据暗示SE中含有可能调控宿主和HIV转录的DNA结合因子。

为了进一步探讨BE和SE的结合特性,作者试图确定BE-或SE-蛋白是否参与功能性的蛋白互作网络。在使用U937单核细胞和Jurkat T细胞系进行的静态细胞群集试验中,BE并未改变U937单核细胞和Jurkat T细胞的群集能力;SE则会导致Jurkat T细胞更为分散,尽管U937单核细胞并不受其影响(图3a)。在细胞粘附试验中,U937单核细胞或Jurkat T细胞与SE的粘附作用,均显著强于BE(图3b)。另一方面,由EFBP和EFSP介导的细胞群集效果类似BE,并且无论HIV感染与否,EFBP和EFSP在促进细胞粘附方面均不如SE。更有趣的是,来自HIV+捐赠者的SE在介导单核细胞和Jurkat T细胞粘附方面的效率较低(图3c和d)。因此上述结果表明HIV可能损害SE与细胞表面蛋白结合的能力。

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图3: HIV感染损害血清外泌体的粘附功能

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综上所述,作者通过采用自行设计的一套分析流程(SMPP),比较了来自三名HIV-和三名HIV+捐赠者的自体血液和精液中的外泌体蛋白质特征,揭示出血液和精液特异的外泌体蛋白,以及HIV诱导的组织依赖性的蛋白质组扰动。结果还显示出个体以及区室间存在相当大的异质性——精液外泌体富含凝集素蛋白,而血液外泌体没有;无论是否感染HIV,精液外泌体都能够促进蛋白质与核酸的结合,并且增加细胞粘附,而血液外泌体则不能——这些都强调了自体研究的重要性。这是首次针对自体血液外泌体和精液外泌体进行的蛋白质组学研究,所鉴定的蛋白质可被开发为适用于不同医学领域的生物标志物,例如生殖和传染病等。

值得一提的是,除艾滋病毒外,血液和精液等体液还是寨卡病毒、单纯疱疹病毒1型和2型、巨细胞病毒等病毒传播的重要载体。该研究再一次表明了蛋白质组学在生物医学科研领域的重要意义,也为其他疾病的研究与诊治提供了新的思路。

参考文献:

Hussein Kaddour, et al. (2019), Proteomics profiling of autologous blood and semen exosomes from HIV-infected and uninfected individuals reveals compositional and functional variabilities. Molecular & Cellular Proteomics.

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