《Cell重磅:西湖大学首次揭示新冠患者蛋白质分子病理全景图》

  • 来源专题:生物安全知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: hujm
  • 发布时间:2021-01-14
  • 西湖大学生命科学学院郭天南课题组与华中科技大学同济医学院附属协和医院胡豫、夏家红、聂秀团队合作在Cell在线发表了题为“Multi-organ Proteomic Landscape of COVID-19 Autopsies”的最新研究论文,报道了2020年初因新冠肺炎去世的患者体内多器官组织样本中蛋白质分子病理全景图。相当于他们将医生在显微镜下看到的人体感染新冠后细胞组织的改变放大了数万倍,达到蛋白质分子层面,“看”清楚是哪些分子的改变导致人体器官的病变和衰竭。

    这是在全球范围内第一次从蛋白质分子水平上,对新冠病毒感染人体后多个关键器官做出的响应进行了详细和系统的分析,为临床工作者和研究人员制定治疗方案、开发新的药物及治疗方法提供了线索和依据。

    感染新冠病毒后

    5336个蛋白质分子发生改变

    大量临床诊疗和研究显示,新冠病人的肺部等器官产生了损伤。但此前大多数与新冠相关的基础研究,是在实验室里利用基于病毒感染的细胞系模型来推测病毒对人体各器官造成的影响,缺乏对新冠肺炎重症患者多器官损伤的病理学观察表型背后的分子水平研究,这样就很难深刻认识新冠致死的机理,并进一步针对患者进行精准的干预治疗。

    西湖大学郭天南团队及其合作者收集了19例新冠去世患者的肺、脾、肝、心脏、肾脏、甲状腺和睾丸等七种器官的(图1)组织样本。通过镜下的病理学检查,可以发现这些病人的肺部出现弥漫性肺泡损伤,肺纤维化,中性粒细胞浸润及血栓形成等病理改变,脾脏白髓萎缩,肝脏发生脂肪化生和部分病例出现梗死,心脏发生心肌水肿及间质淋巴细胞浸润现象,肾脏发现急性肾小管损伤。

    之后,分子层面的研究开始了。基于高压循环技术(PCT)及TMT标记结合鸟枪法蛋白质组技术的质谱数据采样以及组学数据分析,研究团队鉴定了11394个人源蛋白质分子,绘制出新冠危重症死亡患者的多器官蛋白分子全景图(图2)。与非新冠患者的对照组织样本比较,5336个蛋白质发生了改变(图3)。

    其中,在人体七类器官组织中,脾脏红髓里未鉴定到明显改变的蛋白,而肝脏里改变的蛋白数量最多(N=1970),这意味着新冠肺炎致死患者中肝脏受到的损伤可能比较大。

    对新冠病毒进入人体的“罪魁祸首”ACE2蛋白(病毒受体血管紧张素转化酶2,人体内调解血压的一个蛋白),研究团队发现它的数量在新冠病人各类器官中与非新冠病人并无显着差别。而另一个蛋白,即帮助病毒进入细胞相关的组织蛋白酶L(CTSL),在新冠病人肺部却明显增多(图4)。这提示ACE2的表达水平并没有在新冠致死患者中出现改变,仅仅是新冠病毒进入人体的一个通道,CTSL却可能是阻断病毒入侵的潜在治疗靶点。

    除了肺部

    肝肾也出现纤维化先兆

    研究团队进一步对多种器官的生理功能、病理形态与蛋白质组学进行系统比较研究(图4),发现了多个肺部蛋白出现改变,包括与病毒增殖相关、参与肺纤维化病理过程及降解病毒限制因子的蛋白。蛋白组学同时显示,肺部和脾脏表现出以免疫检查点蛋白的上调及T细胞富集蛋白的下调为分子特征的适应性免疫反应抑制,且脾脏的T,B等淋巴细胞减少也印证了该分子特征。

    从临床病理学来看,虽然只有肺部发生了实质性的纤维化病变,但蛋白组学结果(图3,4)显示,在肝脏、肾脏等器官也观察到组织纤维化的先兆,提示对已恢复健康的危重症新冠病人而言,需要对“多器官纤维化”这一可能出现的后遗症进行预防和采取提前干预。

    研究团队中的临床合作者在2020年5月曾第一次报告新冠病毒感染死亡患者的睾丸存在生精小管损伤,Leydig细胞减少和轻度淋巴细胞炎症等病理改变。但这些都只停留在“宏观”层面,究竟是哪些分子的改变导致了这些损伤?郭天南实验室找到了新冠患者的睾丸组织中发生明显改变的10个蛋白,它们的功能与胆固醇合成抑制、精子活性降低和Leydig细胞特异标记物减少紧密相关(图5)。其中Leydig细胞与男性雄性激素合成及分泌紧密相关,提示男性新冠患者的生育能力可能受到影响。

    当然,这些研究是基于新冠死亡患者的组织样本,在轻症及重症患者中是否会出现同样变化,以及这样的变化是否可逆,还需要进一步研究。

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    • 来源专题:生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:hujm
    • 发布时间:2020-10-14
    • 在世界进入COVID-19大流行半年多的时候,医生和科研人员对这种疾病的主要症状---咳嗽、发烧、呼吸急促和疲劳等---有了相当好的了解。但是,对治疗症状同样重要的是,要了解导致COVID-19的冠状病毒SARS-CoV-2在人体细胞中做了什么而让人如此生病。 像所有病毒一样,SARS-CoV-2闯入宿主细胞,劫持它的资源和分子机器来制造更多的病毒。从进化的角度来说,成功存活下来的病毒能够有效地躲避宿主细胞的防御,但又不直接杀死它们(毕竟,病毒需要细胞保持活力才能增殖)。 人体细胞(更广泛地说,哺乳动物细胞)有内置的防御机制来应对病毒感染。细胞中病毒遗传物质的存在会触发一连串的事件,导致一组称为干扰素的蛋白的产生和分泌,所产生的干扰素试图抑制感染,并通知邻近的细胞有威胁存在。人们已发现,具有重症COVID-19症状的患者也表现出低水平的干扰素反应,这表明干扰素反应对对抗病毒至关重要。SARS-CoV-2如何抑制这些正常的防御机制? 如今,在一项新的研究中,来自美国加州理工学院和佛蒙特大学等研究机构的研究人员确定了SARS-CoV-2病毒让人体细胞丧失能力的机制:这基本上使得人体细胞的报警系统失效,从而无法呼救附近细胞的帮助,也无法提醒附近细胞存在感染。了解这种病毒如何导致细胞水平上的功能障碍,为如何对抗它提供了新的见解。相关研究结果于2020年10月8日在线发表在Cell期刊上,论文标题为“SARS-CoV-2 disrupts splicing, translation, and protein trafficking to suppress host defenses”。论文通讯作者为加州理工学院生物学教授Mitchell Guttman博士和佛蒙特大学医学院研究员Devdoot Majumdar博士。 SARS-CoV-2病毒会产生大约30种病毒蛋白。在这项新的研究中,Guttman实验室检查了其中的每一种,并绘制了它们如何与实验室培养皿中培养的人体细胞内的分子成分相互作用。他们发现SARS-CoV-2蛋白会攻击三个关键的细胞过程,以破坏人类蛋白的产生。 论文共同第一作者、佛蒙特大学的Emily Bruce说,“病毒太了不起了。病毒和宿主细胞不断进行进化军备竞赛,以战胜对方。SARS-CoV-2已进化出复杂而特殊的方法来使宿主细胞丧失功能,而不会直接杀死它们,这样这种病毒仍然可以利用宿主细胞达到它自己的目的。” 先介绍一些基本的细胞生物学背景:细胞核容纳着细胞的遗传物质(基因组DNA)。细胞基因组可以被看作是一本综合性的指导手册,比如它的“章节”可能被命名为“如何发送信号”或者“在病毒感染的情况下该怎么做”。细胞的其余部分包含合成执行这些指令的蛋白(如干扰素)的分子机器。 将DNA指令转化为有用的蛋白的过程被称为生物学的“中心法则”。第一步是转录,即细胞核中的一段DNA被读取并产生一种称为mRNA的分子,mRNA可以离开细胞核并迁移到细胞的其余部分。在从细胞核中迁出之前,mRNA通常会在一种称为“剪接(splicing)”的过程中重新组装和“成熟”。 当mRNA从细胞核中输出后,细胞中的一种称为核糖体的分子机器会附着在成熟的mRNA上,读取它,并通过一种称为翻译的过程制造相应的蛋白。 其中的一些蛋白可以从初始的细胞中迁移出去而向其他细胞传递信息,比如警告病毒感染的存在。在这种情况下,另一种称为信号识别颗粒(signal recognition particle, SPR)的分子机器就会发挥作用:它作为一种运输系统,协助蛋白从细胞内移动到细胞外。这就是所谓的蛋白运输。 Guttman实验室发现SARS-CoV-2蛋白在多个阶段干扰了这整个过程。这种病毒的一些蛋白阻止人体细胞mRNA完全剪接和正确组装。另一些蛋白则堵塞了核糖体,使得它无法形成新的蛋白。还有一些SARS-CoV-2蛋白干扰信号识别颗粒,从而阻止蛋白运输。 堵塞核糖体的病毒蛋白叫做NSP1。值得注意的是,这些研究人员发现,NSP1阻止人类mRNA进入核糖体,但允许病毒mRNA顺利通过。每一种病毒mRNA在它的开始处都包含遗传签名(genetic signature),该遗传签名像存取密码那样起作用,使得每种病毒mRNA有效地劫持核糖体来制病毒蛋白,而不是人体蛋白。鉴于病毒生产依赖于这种遗传签名,它可能代表了一种强效的用于开发抗病毒疗法的靶标。 Guttman说,“SARS-CoV-2破坏的每一种过程---剪接、翻译和蛋白运输---对于将人类的遗传物质转化为蛋白质非常重要,它们对于人类生物学来说是必不可少的。事实上,这些过程中每一种的发现都分别导致了诺贝尔奖的颁发。这些过程对生命至关重要。没有它们,我们就无法生存。SARS-CoV-2以非常特殊的方式进化,使得这些过程失去功能,破坏它们的功能。” 论文共同第一作者、Guttman实验室研究生Abhik Banerjee说,“我们的研究说明了基础科学研究的重要性,并建立了一条管道来解决未来新出现的RNA病毒。此外,它还说明了加州理工学院和科学界其他地方的科学合作氛围是非常好的。” 论文共同第一作者、Guttman实验室研究员Mario Blanco对此表示同意,“我们研究SARS-CoV-2蛋白识别人类RNA靶标的能力使得我们能够在没有事先证据的情况下确定这些机制。我们在这项研究中开发的方法措施将使得我们能够将这些相同的过程应用于新出现的疾病,甚至是目前存在的我们对作用机制缺乏深刻理解的病毒。”
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    • 编译者:xxw
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