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Immunity:免疫学大咖Rodewald团队首次揭示肥大细胞独特的蛋白组表达特征

发布时间: 2020-05-12
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所有打喷嚏和咳嗽,流鼻涕和红眼都可能导致过敏发作,但是令人惊讶的是,这些症状并不是由入侵的过敏原驱动的,而是由人体自身的免疫细胞——肥大细胞(Mast cells,MCs)驱动。肥大细胞是一种粒细胞,与许多过敏症密切相关。除此之外,肥大细胞还是免疫系统的关键部分,提供宿主对细菌和寄生虫的天然免疫,并参与调节炎症、伤口愈合、凝血、适应性免疫和急性过敏反应的其他功能但是当前对于肥大细胞的生理或病理功能及其参与过敏反应的机制并不十分清楚。

今天介绍的这篇关于肥大细胞的蛋白质组学研究文章,于近日发表于在国际免疫学专业期刊Immunity(IF=21.522)上。作者是前不久荣获2019年度德国科研最高奖项——莱布尼茨奖( Gottfried Wilhelm Leibniz Prize,在德国学界地位仅次于诺贝尔奖,迄今共有七位“莱布尼茨奖”获得者日后获得诺贝尔奖。)的德国癌症研究中心免疫学家Hans-Reimer Rodewald教授。Rodewald教授在血细胞生成(haematopoiesis)领域做出了许多开创性的贡献【1】。之前的研究工作中他分析了免疫系统细胞的发育,特别是在胸腺中发育并对细胞免疫反应起关键作用的T细胞,以及与许多过敏症有关的肥大细胞【2】。

Immunity:免疫学大咖Rodewald团队首次揭示肥大细胞独特的蛋白组表达特征

Prof. Dr. Hans-Reimer Rodewald

在这篇文章中,为了解肥大细胞主要功能及结构基础,研究人员运用系统的蛋白质组学技术分析了原代人和小鼠肥大细胞的蛋白质表达谱。结果表明肥大细胞具有独特的蛋白组表达特征,仅与其他免疫细胞类型(包括先天免疫细胞)远缘相关。研究揭示了肥大细胞中与过敏相关的机制基础,能够表达可能参与与神经元和神经递质代谢相互作用的蛋白质,从而连接免疫反应与神经系统。

Immunity:免疫学大咖Rodewald团队首次揭示肥大细胞独特的蛋白组表达特征

研究者首先分别从人皮肤肥大细胞(Skin MC)、脂肪肥大细胞(Fat MC)和外周血单核细胞(PBMC)中提取蛋白质(样本策略),用稳定的二甲基同位素标记,并通过高分辨率质谱分析揭示了肥大细胞的蛋白表达特征(质谱策略)。研究共鉴定到34,483条肽段、4455个蛋白,定量到3253个蛋白。相对于外周血单核细胞,皮肤肥大细胞中的471个蛋白以及脂肪肥大细胞中的517个蛋白表达显著性上调。造血前列腺素D合酶(HPGDS)以及受体酪氨酸激酶CD117(KIT)、CD203c是肥大细胞专属蛋白酶,在皮肤和脂肪肥大细胞中特异性表达。

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Figure 1.人体肥大细胞定量全蛋白组分析

为了揭示小鼠MCs的蛋白表达特征,研究人员进一步从小鼠腹膜渗出细胞(PEC)中纯化得到结缔组织型MCs,并收集了MCs缺陷型小鼠(Cpa3cre/+)和野生型小鼠(Cpa3+/+)的腹膜渗出细胞为对照。定量蛋白质组技术总共鉴定到45,396个肽段,5,459个蛋白质,其中3,611个可以通过同位素标记定量。MCs缺陷型小鼠和野生型小鼠(Cpa3+/+)的腹膜渗出细胞中13种蛋白质的差异表达显著,90种蛋白质在肥大细胞中表达明显强于腹膜渗出细胞。羧肽酶A3(CPA3),肥大细胞蛋白酶4(MCPT4)和糜酶1(CMA1)是小鼠结缔组织肥大细胞的标志分子。

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Figure 2. 小鼠肥大细胞的定量全蛋白质组分析

为了寻找人类和小鼠MCs之间的相似性及差异特征,研究者将小鼠PEC细胞蛋白与人类脂肪MCs蛋白进行比较分析。根据Ensembl注释,人类和小鼠数据中的406个蛋白质被鉴定为直系同源物,说明肥大细胞的蛋白表达特征在进化上很保守。小鼠MCs和人类MCs中,差异倍数变化最高的蛋白质包括CPA3,CMA1,TPSAB1,KIT,B型单胺氧化酶(MAOB)和突触囊泡胺转运蛋白(SLC18A2)。肥大细胞中36种蛋白质的表达显著高于非肥大细胞,其中碳水化合物和脂质代谢过程被富集,充分表明碳代谢和脂质代谢途径在肥大细胞中的作用。

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Figure 3.肥大细胞蛋白特征的进化保守性

研究人员进一步研究发现,除了与蛋白聚糖生物合成相关的特定蛋白外,肥大细胞还表达可能与神经元和神经递质代谢相互作用相关的蛋白质,包括细胞粘附分子、离子通道和G蛋白偶联受体。研究人员进一步利用流式细胞分析,筛选到人肥大细胞特异性受体MRGPRX2,并结合光免疫疗法,在人类穿刺活检皮肤组织样本中以MRGPRX2为靶向消除肥大细胞,证实MRGRPX2可能是一种适合于皮肤消融的肥大细胞表面蛋白。

综上所述,研究人员应用蛋白质组学分析表明肥大细胞独特的蛋白表达谱,揭示了肥大细胞中与过敏相关的机制基础,能够表达可能参与与神经元和神经递质代谢相互作用的蛋白质,从而连接免疫反应与神经系统。值得一提的是,研究结果表明了碳代谢和脂质代谢途径在肥大细胞中的作用,这也启发我们,针对免疫代谢(Immunometabolism)的蛋白质组学研究,尤其是与代谢密切相关的酰化修饰蛋白质组学研究,能够帮助我们从另外一个视角了解免疫调控,从而更深刻的揭示免疫代谢调控机制。

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参考文献

1. Weike Pei, et al., 2017, Polylox barcoding reveals haematopoietic stem cell fates realized in vivo. Nature.

2. Vera C. Martins, et al., 2014, Cell competition is a tumour suppressor mechanism in the thymus. Nature.

3. Plum T, et al., 2020, Human Mast Cell Proteome Reveals Unique Lineage, Putative Functions, and Structural Basis for Cell Ablation. Immunity.

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