蛋白质组学在人冠状动脉粥样硬化的研究

题目：Proteomic Architecture of Human Coronary and Aortic Atherosclerosis

人冠状动脉粥样硬化的蛋白质组学研究

期刊：Circulation 

影响因子：18.880

主要技术：Label free , MRM

 

研究背景

        因为目前没有可以提前发现脉粥样硬化的有效检测方法，所以在冠心病预防和治疗上存在很大困难。因此，本文作者对动脉蛋白网络进行全面研究，希望发现它们在早期动脉粥样硬化中的变化，确定疾病检测新的生物标记物并改善治疗靶点。
 

研究内容及结果

1. 冠状动脉和腹主动脉蛋白全面分析并确定新的动脉蛋白和无标度网络拓扑

        研究结果中，在样品 ≥1 LAD（左前降支动脉）和AA（腹主动脉）中总共鉴定到1925个蛋白group（以下简称蛋白质）。其中974种蛋白质参与广泛的生物过程、分子功能、细胞成分和经典通路，有43个是之前研究中没发现的蛋白。作者发现，LAD独有的944种蛋白质表现出无标度网络拓扑结构，这种拓扑结构通常见于复杂的自适应分子或细胞成分的自适应网络中。此外，这些蛋白质包括几个不同的、可复制的共表达模块，这些模块与特定的细胞功能和位置大致相关，例如与细胞呼吸有关的线粒体蛋白（红色模块），涉及染色质组装和组织的核蛋白（绿松石模块）和细胞外基质蛋白（褐色模块）。类似的无标度拓扑结构和功能模块结构在来自AA的蛋白质数据中也得到了明显体现。无标度拓扑结构表明，动脉蛋白质组可能来自复杂的自适应系统。检测到的蛋白质的数量和多样性，以及它们表现出无标度拓扑结构的事实，为作者的蛋白质提取和测量方法提供了有效性的判断，并表明在翻译和蛋白代谢之后，基因转录数据中复杂适应性系统的特征仍然存在。

图1 对人LAD蛋白加权共同表达网络分析

 

2. 正常冠状动脉和主动脉蛋白酶的比较揭示了线粒体蛋白质质量的显著差异

        作者发现在LAD中检测到数百种特异性蛋白质，对LAD中专门检测到的蛋白质进行GO富集分析，表明线粒体蛋白显著富集（P值范围，1.7×10-6至1.8×10-28）。为了证实LAD和AA样本之间线粒体蛋白质明显的差异丰度，作者对完全正常的样本（每个解剖位置n = 30）进行了更灵敏的DIA-MS（也称SWATH）分析，重点关注参与脂肪酸代谢、氧化磷酸化、三羧酸循环和线粒体生物合成的114个定量的线粒体蛋白质。考虑到细胞材料和蛋白提取产量可能存在的位点差异和样本差异，作者对几个平滑肌细胞特异性管家蛋白和尸检病例的年龄以及性别调整定量结果。总体而言，线粒体蛋白在LAD中的丰度是AA的1.98倍（P <0.001），其中氧化磷酸化蛋白丰度增加2.25倍（P <0.001），无机焦磷酸酶丰度增加10倍（P <0.001）。溶性细胞外基质（ECM）蛋白的类似比较显示，与LAD相比，AA样品中可溶性ECM蛋白丰度仅有6％增加（P = 0.01），但是生腱蛋白，在AA中增加10倍（P <0.0001）。

        作者认为LAD和AA组织之间线粒体质量和潜在有氧能力的基本差异，可能反映了这两种动脉组织类型的不同能量需求。两种动脉组织的蛋白质组学特征的异质性强调了在表征动脉组织的蛋白质组学和功能生物学时，对动脉解剖学特异性的需要。 

图2 正常LAD和AA样本中线粒体蛋白质的比较

3. LAD和AA中的动脉粥样硬化组织呈现与TNF-α活化一致的蛋白质组学特征

        为了明确早期动脉粥样硬化的蛋白组学特征，采用两种互补表型分型策略：第一种，根据NL（正常内膜）、脂肪条纹、FP（纤维斑块）表面积占比对样本进行分型；第二种，根据样品蛋白数据的凸分析方法进行分型。为了充分利用两种表型策略，作者使用主成分分析和层次聚类分析获得每种LAD样品的病理蛋白质组分类，发现在第一主成分方向上分离高度富含FP或NL组织的样品。比较这些富含FP和NL的LAD样品，鉴定了89个差异蛋白质（FC≥（+/-）1.7, q≤0.05）。这些动脉粥样硬化相关蛋白的生物信息学功能分析揭示了与肿瘤坏死因子-α（TNF-α）途径激活一致的模式（P = 2.64×10-7），同时也抑制胰岛素受体、过氧化物酶激活受体-α（PPAR-α）和过氧化物酶激活受体-γ（PPAR-γ）途径（P = 4.22×10-10,2.42×10-13,8.56×10-16）。AA样品中动脉粥样硬化蛋白的类似分析（FP：n = 9，NL：n = 18）也产生与LAD中TNF活化相一致的模式（P = 1.92×10-5）。然而，在AA样品蛋白质组学数据中，没有令人信服的证据表明抑制胰岛素受体、PPAR-α或PPAR-γ途径。在灵敏度分析中，对于FP与NL样品中观察到关于上游调节剂和调节途径的定性相似结果（q≤0.01）。LAD和AA的动脉粥样硬化样品中胰岛素受体、PPAR-α或PPAR-γ途径的明显抑制表明，早期动脉粥样硬化中已存在代谢紊乱。

图3 LAD蛋白数据凸分析结果

 

图4 病理蛋白质组学表型

 

4. 冠状动脉和主动脉蛋白质组的差异网络分析

        复杂自适应系统的一个重要特征是网络拓扑在不同条件下的变化潜力。因此，作者使用差异依赖性网络分析，筛选在重组LAD中NL和FP之间的网络结构重排中起关键作用的蛋白，并发现三羧酸蛋白显着富集（P = 4.8×10-6）。 随后对单个三羧酸蛋白质的分析发现富含FP的样品中三羧酸蛋白质与NL相比平均减少60％。对LAD的线粒体蛋白进行DIA-MS分析，结果表明，在调整血管平滑肌特异性管家蛋白、年龄和性别后，与NL样本相比，FP样本中的多种线粒体蛋白质一致减少。相比之下，对AA样本中相同蛋白质的类似分析显示，两种样本的可溶性ECM蛋白均有适度的增加动脉粥样硬化。

 
图5  对LAD FP蛋白差异依赖性网络分析
 

图6 LAD 和AA 的FP和NL样品线粒体比较分析

 

5. 血浆多重动脉粥样硬化生物标志物组的临床验证

        为了确定通过使用人动脉样本发现的FP蛋白可以作为冠状动脉粥样硬化的信息性血浆生物标志物，作者开发了一种高度可重复的MRM分析，对25种可以在血浆中测量的蛋白质进行检测。随后，作者比较了45例经血管造影证实的冠状动脉粥样硬化的妇女（病例）和41例无体征、无症状、无冠心病危险因素（对照）的相似年龄妇女的空腹蛋白水平。共发现13种有助于共同预测冠状动脉粥样硬化病情，同时也避免了过度拟合的蛋白。其中玻连蛋白、转化生长因子-β诱导蛋白、补体因子7和载脂蛋白B均为阳性，与冠状动脉粥样硬化呈正相关，而三肽基肽酶1，ITI重链H1和白三烯A-4水解酶与冠状动脉粥样硬化呈负相关。

图7 FP蛋白临床验证

文章小结

人类动脉蛋白质组可以被看作是一个复杂的网络，其结构特征因解剖位置的功能和动脉粥样硬化的存在与否而有很大的不同。这些数据表明，早期动脉粥样硬化的线粒体蛋白丰度有显著降低，同时也确定了血浆蛋白的一个子集，这些蛋白质对血管造影诊断冠状动脉疾病具有高度的预测性。
 

解析文献

Herrington DM , Mao C, et al. Proteomic Architecture of Human Coronary and Aortic Atherosclerosis. Circulation, 2018, 137(25):2741-2756.
 

参考文献

1. Hanzawa H, Sakamoto T,et al. Combined plasma and tissue proteomic study of atherogenic model mouse: approach to elucidate molecular determinants in atherosclerosis development. J Proteome Res. 2015;14:4257–4269.

2. Liang W, Ward LJ, et al. Distinctive proteomic profiles among different regions of human carotid plaques in men and women. Sci Rep. 2016;6:26231. doi: 10.1038/srep26231.

3. Doll S, Dreßen M, et al. Region and cell-type resolved quantitative proteomic map of the human heart. Nat Commun. 2017;8:1469. doi: 10.1038/s41467-017-01747-2.

4. Suna G, Wojakowski W, Lynch M, Barallobre-Barreiro J, Yin X, Mayr U,

Baig F, Lu R,et al. Extracellular matrix proteomics reveals interplay of aggrecan and aggrecanases in vascular remodeling of stented coronary arteries. Circulation. 2018;137:166–183. doi: 10.1161/CIRCULATIONAHA.116.023381.