蛋白组学领域教授组揭示迄今最大的空间及细胞特异的皮肤蛋白质组图谱

来源：精准医学与蛋白组学

报道题目：Spatially and cell-type resolved quantitative proteomic atlas of healthy human skin（空间及细胞特异的健康人体皮肤定量蛋白质组图谱解析）发表时间：2020年11月5日期刊：Nature Communications 影响因子：12.121作者及单位：世界著名蛋白质组学专家Matthias Mann教授团队主要结论：发现了构成皮肤的不同空间蛋白质及特异性蛋白，为研究皮肤的结构和功能提供了迄今最大的参考数据。关键词：皮肤；细胞类型；特异蛋白人体皮肤作为构成人体最大的器官，覆盖人体全身，它提供诸如感知和免疫保护等基本功能。皮肤一方面可通过感觉神经系统帮助控制体温及对周围环境的感知，另一方面可防止外界有害的物质或不需要的物质入侵。因此，皮肤是一个由多个组织层和多种细胞类型组成的复杂器官，包括黑素细胞、内皮细胞、角质形成细胞、成纤维细胞和皮肤相关免疫细胞。受限于皮肤组织难以分离等特点，过去的蛋白质组研究仅鉴定到为数不多的皮肤蛋白质，从而限制了我们对皮肤蛋白构成及其功能的全面认识。近日，世界著名蛋白质组学专家Matthias Mann教授团队将其最新的研究成果发表在了国际学术期刊Nat Commun (IF=12.121) 杂志上。研究者通过分离皮肤不同空间结构的组织和组成皮肤的不同细胞类型，利用蛋白质组学的手段对高深度皮肤组织空间和不同皮肤细胞的定量蛋白质组图谱进行分析，发现了构成皮肤的不同空间蛋白质及皮肤细胞特异性蛋白，为研究皮肤的结构和功能提供了迄今最大的参考数据，也为我们理解皮肤功能提供了新的认识。一、高深度皮肤组织空间的定量蛋白质组图谱首先，研究者分离出皮肤不同空间结构的组织，分别获得了皮肤由外到内的表皮组织（外表皮和内表皮）、真皮组织和皮下组织；利用流式细胞术（FACS）分选出各种免疫细胞、黑色素细胞和内皮细胞等组成皮肤的不同细胞类型（样本策略），运用Label Free定量技术（质谱策略）对其蛋白质组进行了分析（图1）。研究共鉴定到10,701个蛋白质，定量到的蛋白含量跨度6个数量级。由于皮肤组织样本对于质谱检测来说是极具挑战的，所以本研究是迄今覆盖度最深的皮肤蛋白质组数据集，为研究皮肤的组成和功能提供了丰富的参考信息。 图1 皮肤组织空间的定量蛋白质组的研究策略二、皮肤空间蛋白质组的构成皮肤的一个显著特点为分层组成，即每一层都有其特定的功能作用。鉴于此，研究者分别对表皮组织（外表皮和内表皮）、真皮组织和皮下组织的不同分层的蛋白质组进行了分析。由于构成皮肤的结构和免疫的蛋白质在其功能中发挥重要作用，研究者重点对它们进行了说明。在表皮组织的蛋白质组中，该研究鉴定和定量到目前已知47种KRT角蛋白（keratins），覆盖到了目前已知所有的皮肤角蛋白（图2）。其中，角蛋白KRT 1，5，10，14和6A的含量在表皮中最为丰富，占总外表皮KRT含量的87%和总内表皮的93%。此外，过去研究表明角蛋白KRT 16和KRT 17是免疫系统的“哨兵”，它们在外表皮KRT的含量分别为6.7%和2.6%，而在内表皮KRT含量仅分别为0.1%和0.3%，暗示作为免疫“哨兵”的KRT 16和KRT 17在外表皮中发挥重要作用。同样，催化细胞与细胞交联的酶，例如谷氨酰胺转胺酶，它们也存在不同的空间表达分布。在真皮组织的蛋白质组中，研究者发现糖原蛋白如弹性蛋白和层粘连蛋白在皮肤中最为丰富（图2），其中弹性蛋白占真皮中未注释糖蛋白的20%。在胶原中，该研究发现了16种胶原，其中Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ型胶原占真皮总质量的96%，迄今为止只在心脏、胃、肾、胎盘和平滑肌细胞外基质中被报道。胶原蛋白合起来占真皮总蛋白量的10%（图2）。除了其结构作用外，皮肤还起着免疫屏障的作用。免疫相关蛋白S100家族中钙离子和锌离子结合蛋白的成员是迄今为止最丰富的，并且它们的成员存在不同的空间分布。S100A7、S100A8和S100A9在外表皮更丰富，S100A14/16在表皮和角质形成细胞中更丰富，S100A6在真皮中更丰富。这些观察结果与S100蛋白在促炎、抗微生物活性和角质形成细胞分化中的作用以及先前报道的表达谱相一致。 图2 皮肤空间蛋白质组的构成 三、构成皮肤空间蛋白质组的免疫相关蛋白质皮肤空间蛋白质组学数据表明免疫活性蛋白的广泛存在，包括趋化因子（CXCL12/14）、抗菌肽（防御素β1/β2）、基质金属蛋白酶（MMP2/3/9）和细胞因子。由于白细胞介素在防御感染和导致炎症性皮肤病方面起着关键作用，研究者分析白细胞介素（IL）1细胞因子家族成员的表达。白细胞介素由于其含量低，尤其是在没有炎症的情况下，通常很难通过蛋白质组学方法进行鉴定。值得关注的是，该研究鉴定到了theIL-1家族的所有成员，并量化了它们的空间和细胞表达模式，包括IL-18、IL-37、IL-38和IL-36γ，它们主要分布在表皮层（图3）。有趣的是，功能未知的IL-36α只在皮下组织表达，并且比其他IL-1家族成员的含量至少高出9倍（图3）。此外，已报道低表达的细胞因子IL-33定位于真皮组织，并进一步定位于内皮细胞。白细胞介素-1β在的软骨细胞和巨噬细胞定量到（图3）。综上所述，人类皮肤不同结构区和细胞类型中免疫活性蛋白数据，为我们更好理解皮肤免疫屏障提供了重要参考信息。 图3 构成皮肤空间蛋白质组的免疫相关蛋白质最后，研究者对角细胞、成纤维细胞、各种免疫细胞、黑色素细胞和内皮细胞等组成皮肤的不同细胞类型的蛋白组进行分析，寻找到大量已报道和未报道的不同细胞特异的蛋白质表达分布，为研究皮肤的结构功能提供了重要数据。综上所述，研究者利用蛋白质组学的手段，对高深度皮肤组织空间和不同皮肤细胞的定量蛋白质组图谱进行分析，发现构成皮肤的不同空间蛋白质构成及皮肤细胞特异性蛋白，为研究皮肤的结构和功能提供了迄今最大的数据库，为我们理解皮肤功能发挥提供了新的认识。