盘点:蛋白质组学在免疫学研究中的热点应用

众所周知，免疫学是国际生物医学领域中发展非常迅速的一门学科，探讨的是在各器官中所产生的免疫反应。而蛋白质作为生物学功能的执行者，也是免疫细胞发挥免疫作用的主要功能分子。对于高等动物的免疫系统而言，蛋白质除了发挥执行者的作用外，还具有调节免疫系统，清除病毒或微生物病原体感染，恶性肿瘤细胞的转化等重要功能。因此，蛋白质组学的方法是适于在分子水平进行免疫学研究的理想工具。

1自身免疫与表观遗传

越来越多的研究发现，免疫疾病与表观遗传学有着密切的联系。磷酸化、多聚泛素化这两种类型的翻译后修饰(PTMs)已被证明能够有效调节先天免疫反应。此外，一些其它类型的PTMs，如乙酰化、SUMO化和琥珀酰化，也证明与先天免疫和炎症调控相关。

树突状细胞与巨噬细胞作为关键性天然免疫细胞，能及时识别病毒入侵并启动有效的天然免疫应答以抵御病毒感染，但为什么天然免疫细胞“天生”具备如此快速应答的抗病毒免疫功能？哪些调控分子决定了天然免疫细胞具备快速免疫应答的功能特征？

中国工程院院士曹雪涛研究团队发现DNA甲基化酶Dnmt3a能促进天然免疫细胞释放I型干扰素以抵御病毒感染。研究表明，这个过程并不是直接通过基因转录来实现的，而是借助表观遗传调控，Dnmt3a结合在组蛋白去乙酰化酶HDAC9远端启动子区并维持该区域的DNA高甲基化，从而拮抗该区域的H3K27me3，促进近端启动子的活化型组蛋白修饰水平以维持HDAC9高表达。高表达的HDAC9能够保持模式识别受体通路中的重要因子TBK1的去乙酰化状态，促进TBK1的激酶活性，因此高效诱导Ⅰ型干扰素产生，启动抗病毒天然免疫反应。详情请点击：曹雪涛团队揭示抗病毒免疫应答新型表观遗传机制。

图1 翻译后修饰对PRR信号通路的负调控作用

此外，其他形式的PTMs（如羰基化、糖基化、糖化、羟基化、瓜氨酸化、硝化、棕榈酰化、硫酸盐化等，PTM与免疫学请点击：蛋白质翻译后修饰在肿瘤免疫学中的最新研究进展。）与免疫和炎症中的作用相关。对表观遗传和在免疫性疾病发病机制中的作用的进一步研究，不仅能够扩大我们对先天免疫响应和调节中细胞及分子机制的理解，还能够揭示出免疫疾病相关的新诊断标记和治疗靶点。 想要解决这一方面的问题，“蛋白质组学”的发展和应用对综合地、动态地了解先天免疫系统是必需的。

2免疫细胞的功能研究

免疫细胞作为免疫系统的重要组成部分，一直以来是免疫研究的重点，而蛋白质组学能够直接研究不同样本间的蛋白质组学差异，在免疫细胞研究中同样被广泛运用。

1 树突状细胞蛋白质组学

树突状细胞（DC）是先天免疫与适应性免疫之间交流的关键，树突状细胞由多种亚群构成，不同亚群的树突状细胞在免疫反应中发挥特定的作用，而蛋白丰度的差异可能解释不同DC亚群产生功能性差异的原因。高通量蛋白质组学技术的运用，能够帮助阐释DC亚群功能性分离的分子机制。

2010年Immunity上一篇报道中作者运用定量蛋白质组学技术，鉴定出5780个鼠脾脏cDC（常规树突细胞）蛋白和6664个pDC（浆样树突细胞）蛋白，分析2个亚群蛋白丰度的不同，揭示了多种亚群特异性表达的病毒识别模式通路。

研究思路

①根据细胞表面分子的表达情况，利用流式细胞仪收集不同亚群的cDC（常规树突细胞）和pDC（浆样树突细胞），细胞量2.5×106。

②利用label free蛋白质组学分析不同亚群DCs中蛋白质丰度。揭示了多种亚群特异性表达的病毒识别模式通路。

图2 DCs亚群分离与不同DCs亚群蛋白组比较结果

2 T细胞蛋白质组学

初始T细胞在未接触抗原刺激之前处于静止状态；在抗原刺激后，T细胞受体(TCRs)的参与触发了信号级联，最终诱导白细胞介素2 (IL-2)和细胞表面受体的表达，细胞开始生长和增殖，最终分化为效应细胞。尽管我们了解早期的TCR信号事件以及T细胞激活之后的克隆扩增和分化，但连接这些过程的过渡状态，如初始T细胞从静止状态退出的过程，至今仍未得到充分的理解。

2017年，Immunity报道了美国St. Jude儿童研究医院迟洪波教授、彭军明教授合作的成果，利用磷酸化组学技术研究T细胞激活后的信号和代谢通路，揭示了T细胞激活后的蛋白变化情况和磷酸化的动态变化。详情请点击：磷酸化组学揭示T细胞激活后的信号通路和代谢途径的动态变化。

研究思路

①作者通过构建TCR刺激的小鼠模型，选择未刺激和TCR刺激后2h、8h和16h的T细胞作为实验样本；

②通过高通量的蛋白组学和磷酸化修饰组学分析，分别鉴定到8431个蛋白和13755个磷酸化肽段；

③利用生物信息学分析发现TCR激活相互连接的功能模块、激酶和转录因子；

④采用western-blot的方法分别检测了TXNIP和PDCD4的表达量，以及PDHA-1和CAD的磷酸化变化情况，验证组学结果。

图3 T细胞蛋白质组学

3 B细胞蛋白质组学

慢性淋巴细胞性白血病(CLL)是西方世界最常见的成人白血病，是一种CD5+ B细胞肿瘤。B细胞受体(BCR)信号在CLL的发病机制中起着重要作用，靶向这一途径的药物正在改变CLL治疗。

2018年Molecular Cellular Proteomics上报道了一篇慢性淋巴细胞性白血病B细胞与健康B细胞蛋白质组学研究的文章，通过分析不同亚型CLL的差异蛋白质，发现一些潜在的治疗靶点。

研究思路

①选取Trisomy 12、CD38+、未突变IGHV、NOTCH1突变和SF3B1突变病例外周血B细胞和健康人B细胞作为实验样本；

②利用TMT-10标定量蛋白质组学分析不同样本的蛋白质组；

③通过生物信息学分析不同亚型CLL的差异蛋白质，发现一些潜在的治疗靶点。

图4 CLL B细胞蛋白质组学

4、 NK细胞蛋白质组学

天然杀伤细胞(NK)是一种大型粒状淋巴细胞，提供了第一道先天免疫防御。它们能够杀死病毒感染的细胞，并释放细胞因子和趋化因子来激活其它适应性免疫细胞。

2013年Molecular Cellular Proteomics上报道一篇运用蛋白质组学研究不同时期的人类NK细胞蛋白质组变化的文章。

研究思路

①根据细胞表面分子的表达情况，利用流式细胞仪分离收集不同时期的NK细胞作为样品；

②利用ITRAQ蛋白质组学分析不同时期NK细胞的蛋白质丰度改变；

③生物信息学分析不同时期NK细胞差异蛋白质。

图5 NK细胞蛋白质组学

5 巨噬细胞（单核细胞）蛋白质组学

巨噬细胞可能是2型糖尿病和动脉粥样硬化之间重要的细胞联系。巨噬细胞在饮食诱导的肥胖和胰岛素抵抗中被不当激活。而累积过量胆固醇的巨噬细胞（泡沫细胞）则与动脉粥样硬化斑块的起始、进展和破裂有关。

2018年Cell Reports报道一篇小鼠巨噬细胞蛋白质组学的文章，解释了肥胖和胰岛素抵抗在动脉粥样硬化发生过程中的作用及机制。

研究思路

①利用流式细胞仪，分离收集不同模型小鼠的腹膜巨噬细胞作为样品；

②利用label free蛋白质组学分析比较不同饮食条件下小鼠巨噬细胞蛋白组改变；

③通过靶向蛋白质组学技术PRM靶向检测小鼠主动脉巨噬细胞MAM中APOE和MFGE8的丰度。

图6 小鼠主动脉巨噬细胞（MAM）靶向蛋白质组学PRM检测

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参考文献

1. Li, X., et al., 2016, Methyltransferase dnmt3a upregulates hdac9 to deacetylate the kinase tbk1 for activation of antiviral innate immunity. Nature Immunology.

2. Liu, J., et al., 2016, Post-translational modification control of innate immunity. Immunity.

3. Luber C A, et al., 2010, Quantitative proteomics reveals subset-specific viral recognition in dendritic cells. Immunity.

4. Tan H, et al.,2017, Integrative Proteomics and Phosphoproteomics Profiling Reveals Dynamic Signaling Networks and Bioenergetics Pathways Underlying T Cell Activation[J]. Immunity.

5. Johnston H E, et al., 2018, Proteomics profiling of CLL versus healthy B-cells identifies putative therapeutic targets and a subtype-independent signature of spliceosome dysregulation. Molecular & Cellular Proteomics.

6. Scheiter M, et al., 2013, Proteome analysis of distinct developmental stages of human natural killer (NK) cells.. Molecular & Cellular Proteomics.

7. Reardon CA, et al., 2018, Obesity and Insulin Resistance Promote Atherosclerosis through an IFNγ-Regulated Macrophage Protein Network. Cell Reports.

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