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Cell Rep | Matthias Mann团队发表肌纤维蛋白组研究,揭示神经肌肉病病理机制

发布时间: 2020-02-07
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线粒体肌病(mitochondrial Myopathy)是一种少见的,由于线粒体结构和(或)功能异常所导致的以肌肉受累为主的多系统疾病病。线粒体肌病以呼吸链的装配和功能缺陷为特征,线粒体DNA和细胞核DNA(nDNA)的突变是这些疾病的主要原因。虽然测序扩大了线粒体肌病的诊断范围,大大提高了线粒体肌病的诊断水平,但其潜在的病理生理机制仍知之甚少。

2019年12月17日,国际知名期刊Cell Reports在线发表了马克斯普朗克生物化学研究所所长Matthias Mann团队与慕尼黑大学神经学系Thomas Klopstock团队的最新合作研究成果“Proteomics of Cytochrome c Oxidase-Negative versus -Positive Muscle Fiber Sections in Mitochondrial Myopathy”。研究人员运用基于质谱的蛋白质组学技术结合激光捕获显微解切割技术,对分离出的肌纤维进行蛋白质组学分析,系统揭示了线粒体肌病的病理机制。

Cell Rep | Matthias Mann团队发表肌纤维蛋白组研究,揭示神经肌肉病病理机制

此篇文章中,研究人员运用激光捕获显微解切割技术捕获线粒体肌病活检个体(COX+和COX-)的肌纤维,结合蛋白质组学技术研究了线粒体肌病如何改变肌纤维蛋白组,以及不同的纤维类型如何应对受损的呼吸链活动,揭示了肌纤维在应对能量短缺和代谢压力时的代偿机制。

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蛋白质组学工作流程

研究人员使用最近描述的“loss-less” nano-fractionator对人类肌肉裂解液以及培养的肌细胞进行分组,由此产生的肽库能够克服骨骼肌蛋白质组的动态改变。使用MaxQuant软件的“match between runs”特性,研究人员将肽库的识别转移到患者的样本。蛋白组学结果可以测量到每个患者体内> 4000个蛋白。呼吸链和三羧酸(TCA)循环相关丰度高的蛋白,可直接由串联质谱(MS/MS)鉴定,而一些潜在的疾病相关蛋白质,只有通过与肽库匹配才能达到高覆盖率。

蛋白质组学工作流程

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蛋白质组和线粒体蛋白质组差异

许多呼吸链成分的表达在COX+肌纤维显著高于COX-肌纤维。在胁迫条件下,COX-肌纤维过表达最显著的是UTP18(一种核仁蛋白);心脏脂质结合蛋白STOML2/SLP2也在COX-肌纤维中上调。分成聚类分析揭示COX=肌纤维蛋白在氧化呼吸链中富集,COX-在线粒体核糖体中富集,揭示这可能是COX-肌纤维呼吸链表达和功能缺陷的代偿机制。

COX+和COX-肌纤维在整个蛋白质组和线粒体蛋白质组水平上的差异

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单肌纤维水平的线粒体肌病

人类慢型1纤维(slow-type 1 fibers)的线粒体比快速型2A(fast-type 2A)和2X纤维多,而快速型2A和2X这两种纤维糖酵解酶的表达量更高,因而比较纯纤维可以在单细胞水平上精确地确定具体的疾病发病机制。随后的结果揭示,COX-纤维中含量较多的28种蛋白具有不同的线粒体内定位,在纤维类型的关键决定因素如肌球蛋白和肌钙蛋白亚型的驱动下,慢速纤维和快速纤维在组分2上有明显的区别。COX-慢速纤维的生物能量缺乏与脂肪酸氧化酶的进一步上调有关,而在快速纤维中,脂肪酸氧化酶的上调基本上可以忽略不计。

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单肌纤维水平的线粒体肌病

线粒体肌病严格意义上讲是序列突变影响呼吸链的结果。它们经常攻击骨骼肌,而其他组织则以疾病特异性的方式参与其中,为了更好地了解线粒体肌病的发病机制,需要对其潜在的分子机制有更深入的了解。研究人员通过蛋白质组学技术研究了线粒体肌病如何改变纤维蛋白组,以及不同的纤维类型如何应对受损的呼吸链活动,揭示了肌纤维在应对能量短缺和代谢压力时的代偿机制,将有助于线粒体肌病靶向治疗的发展。此项研究也进一步证明了蛋白质组学在生物科研领域的重要意义。

参考文献:

Murgia M., et al., 2019, Proteomics of Cytochrome c Oxidase-Negative versus -Positive Muscle Fiber Sections in Mitochondrial Myopathy. Cell Rep.

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