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新冠肺炎会导致心脏损伤?看空间蛋白组如何解密!

2023-11-22 00:00:00

在与2019冠状病毒病(COVID-19)相关的各种器官功能障碍中,心脏并发症是较严重和危及生命的器官之一。约12%-41%的COVID-19患者有心脏损伤。新冠病毒可促进促炎细胞因子和趋化因子的异常释放,进一步导致血管炎症、斑块不稳定、心肌炎症、直接心肌抑制和高凝状态的形成。然而,浸润性炎症细胞与新冠病毒驱动的二次损伤相关的心肌或心血管损伤的具体机制尚不清楚。自COVID-19爆发以来,蛋白质组学被广泛用于研究COVID-19患者损伤器官的分子特征和预后。


2022年5月,中国医学科学院北京协和医院的研究团队通过空间蛋白组学分析建立了COVID-19患者的心脏炎症心肌和微血管的区域分辨蛋白质组图谱,发现炎症风暴对心肌和左心房微血管的影响较大。该研究为改善COVID-19相关心血管疾病的临床治疗提供指导。



题目:Spatial region-resolved proteome map reveals mechanism of COVID-19-associated heart injury

期刊:Cell Report

影响因子:8.8

发表时间:2022年5月

发表单位:中国医学科学院北京协和医院


研究策略

  • 研究个体:17个COVID-19心脏和28个非COVID-19心脏(对照)

  • 取样策略:左心房心肌(LA_MC)和微血管(LA_MV)、左心室心肌(LV_MC)和微血管(LV_MV)、右心房心肌(RA_MC)和微血管(RA_MV)、右心室心肌(RV_MC)和微血管(RV_MV)

  • 研究方法:病理学、激光显微切和质谱相结合(LCM-MS)的空间蛋白质组学分析

图1 研究策略


研究结果


一、人类心脏的空间蛋白质组结构

与正常对照组相比,COVID-19样本的LA、LV、RA和RV区分别有228、 347、338和219个差异表达的蛋白。差异蛋白的通路分析发现COVID-19心脏的炎症反应被异常激活是导致心功能障碍的严重危险因素。


基于LCM-MS的区域分辨空间蛋白质组学分析显示心肌主要由髓鞘蛋白、黏附灶、线粒体、肌节、Z盘、肌动蛋白细胞骨架、肌膜、神经肌肉连接处等蛋白组成。然而,心脏微血管中主要是参与ECM、肌动蛋白细胞骨架、基底膜(BM)和神经元投射的蛋白(图2F)。将对照组微血管和心肌不同区域的蛋白质按照蛋白丰度分为四部分(图2G-H),通过区域蛋白质组确定了心肌和微血管的特定成分。

图2 人类心脏空间蛋白质组定量分析


二、COVID-19心脏炎症性心肌的功能表征


通过层次聚类分析(HCA)和基因本体论分析(GO)在人心肌的不同区域确定了四个具有不同功能的蛋白簇,结果表明区域特异性蛋白与心肌的功能差异有关(图3A-B)。在心脏四个区域的心肌中,高表达的蛋白参与小分子代谢、能量代谢和细胞骨架,RV和LV中的高表达蛋白参与其他生物学过程,如心肌组织发育等。

图3 人心脏区域心肌的空间功能特征


COVID-19与对照组之间上调的蛋白参与了炎症反应,特别是在RA心肌中。参与病毒过程的上调蛋白在RA中的数量居多,这可能是RA心肌炎症反应的主要原因,下调蛋白主要参与能量代谢和心脏传导(图4A-B)。此外,Serpin家族A成员3(SERPINA3),通过JAK-STAT通路和先天免疫系统与血小板生成素信号通路相关在心肌的所有四个区域均上调(图4C)。这些结果表明COVID-19心肌损伤通常会影响心脏的多种生物学过程和功能,不仅具有区域特异性,而且具有共性。

图4 基于心脏空间蛋白质组分析的COVID-19患者的心肌功能障碍


三、COVID-19心脏炎症性微血管的功能表征


随后在微血管不同区域确定了4个蛋白簇,结果表明来自四个心脏区域的微血管中高表达的蛋白质都参与了代谢功能。RA和RV微血管中的高表达蛋白质还参与其他生物过程,例如肌细胞生长和能量代谢。此外,COVID-19组和对照组之间的大部分上调蛋白都参与了炎症反应,特别是在LA中。急性炎症反应相关蛋白和先天免疫反应相关蛋白在LA中上调;此外,参与病毒过程的蛋白质在LA中变化较大,这可能是LA中微血管炎症的主要原因(图5A-B)。这些结果说明COVID-19感染后微血管损伤具有区域特异性的损伤特征。

图5 基于心脏空间蛋白质组分析的COVID-19患者的微血管功能障碍


四、SARS-CoV-2蛋白对不同心脏区域微血管功能的影响


接下来,研究人员发现SARS-CoV-2可以感染微血管,进一步对病毒蛋白和微血管差异蛋白构建了一个完整的互作网络(图6A),结果发现病毒蛋白几乎引起所有区域微血管功能的改变。虽然这些蛋白大多数在所有四个区域都被鉴定出来,但它们的表达水平因与病毒蛋白相互作用的影响而不同。病毒蛋白与氧水平、心脏传导、炎症反应、肌肉收缩和ECM重构相关蛋白的直接相互作用较小,表明SARS-CoV-2可能对这些功能的影响较小。这说明这些功能障碍可能是由病毒驱动的炎症引起的。

图6揭示COVID-19患者中微血管失调蛋白的相互作用网络


此外,SARS-CoV-2感染可导致COVID-19患者心力衰竭。研究人员进一步研究炎症性心肌和微血管如何导致COVID-19心脏四个区域的细胞外基质(ECM)变化,结果表明,ECM的失调也可能是炎症介导的COVID-19心脏严重损伤的重要原因。进一步对COVID-19血清与心脏之间的差异表达蛋白进行相关性分析,发现COVID-19患者的炎症性心肌和微血管中差异表达的ECMs也可以在COVID-19患者的血清中检测到,因此,这些ECM蛋白可以被认为是心脏损伤的潜在标志物。


研究结论


本研究利用空间蛋白质组学技术对COVID-19患者心肌与微血管的显微切割样本进行了蛋白质组学研究,构建了COVID-19患者的空间区域蛋白质组学图谱,并揭示了COVID-19相关心脏损伤的机制。此外,研究人员还将COVID-19血清与心脏的蛋白组学数据进行联合分析,进一步确证一些ECM蛋白可以作为心脏损伤的潜在标志物,为未来心脏病的研究和临床治疗提供了潜在的方向。

本文网址:/news/822.html

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