COVID-19 會(huì)引起嚴(yán)重的全身炎癥，并在致命病例中造成嚴(yán)重的器官損傷。盡管進(jìn)行了廣泛的研究，但對(duì)這些對(duì)人體影響的全系統(tǒng)、無(wú)針對(duì)性的研究很少，如何影響不同的身體組織尚不完全清楚。

2023年7月，德國(guó)馬克斯·普朗克生物化學(xué)研究所在EMBO Molecular Medicine發(fā)表了題為“Quantitative multiorgan proteomics of fatal COVID-19 uncovers tissue-specific effects beyond inflammation”的文章。該研究對(duì)COVID-19死后患者隊(duì)列和對(duì)照隊(duì)列10個(gè)不同器官的352個(gè)FFPE樣本進(jìn)行了蛋白質(zhì)組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)SARS-CoV-2感染的器官特異性在全身炎癥反應(yīng)中發(fā)揮的主要作用；肺部的蛋白質(zhì)組變化與非 COVID-19 患者的彌漫性肺泡損傷 (DAD) 相似；腎臟、肝臟、淋巴和血管系統(tǒng)也出現(xiàn)了廣泛的器官特異性變化；大腦中的繼發(fā)性炎癥效應(yīng)與神經(jīng)遞質(zhì)受體的重排和髓磷脂降解有關(guān)。這些蛋白質(zhì)組學(xué)結(jié)果極大地促進(jìn)了對(duì)COVID-19 病理機(jī)制的理解，并為器官特異性治療干預(yù)策略提出了建議。

文章名稱(chēng)：Quantitative multiorgan proteomics of fatal COVID-19 uncovers tissue-specific effects beyond inflammation（EMBO Molecular Medicine，IF=11.1 ,2023）

研究材料：新冠患者FFPE樣本

組學(xué)技術(shù)：DIA蛋白組、DIA磷酸化蛋白組

一、研究思路

圖1 研究思路（圖源：Schweizer L, et al. EMBO Mol Med. 2023）

二、研究結(jié)果

01.FFPE蛋白質(zhì)組學(xué)流程

本研究收集了19名COVID-19患者和85名對(duì)照患者共計(jì)353份FFPE樣本，涉及肺、心臟、縱隔淋巴結(jié)、血管、大血管（主動(dòng)脈）壁、腦（延髓、基底神經(jīng)節(jié)）、肝臟、脾臟、腎臟和腎上腺10個(gè)不同器官。對(duì)于肺部 COVID-19標(biāo)本，分為 COVID-19 急性期、組織期和纖維化期進(jìn)行取樣，除了非病理性對(duì)照組織外， 還額外對(duì)表型相似的非 COVID-19 肺部疾?。鞲?、非 COVID-19 彌漫性肺泡損傷、常見(jiàn)間質(zhì)性肺炎、伴有肺進(jìn)行性纖維化和纖維化機(jī)化性肺炎）取樣作比較。進(jìn)而，本研究對(duì)收集到的FFPE樣本進(jìn)行了蛋白質(zhì)組學(xué)檢測(cè)，在所有組織類(lèi)型中總體鑒定了 7315 種蛋白質(zhì)（圖2）。

圖2. 項(xiàng)目設(shè)計(jì)與蛋白質(zhì)組學(xué)流程（圖片再編輯，源自：Schweizer L, et al. EMBO Mol Med.

02.全身炎癥反應(yīng)掩蓋了組織特異性效應(yīng)

本研究對(duì)患者組和對(duì)照組的差異蛋白進(jìn)行了通路富集，這些通路在多個(gè)器官都被富集到，這些通路表明了該疾病的典型全身炎癥作用（圖 3A）。進(jìn)一步對(duì)補(bǔ)體級(jí)聯(lián)反應(yīng)、干擾素信號(hào)通路中代表性蛋白進(jìn)行定量分析，均發(fā)現(xiàn)在不同組織類(lèi)型中表現(xiàn)失調(diào)（圖3B、3C）。由于人體組織死后處理過(guò)程中無(wú)法排除血液成分，本研究重點(diǎn)關(guān)注血液蛋白質(zhì)組的影響，發(fā)現(xiàn)紅細(xì)胞 (RBC)標(biāo)記物在COVID-19隊(duì)列的一些樣本中占主導(dǎo)地位（圖 3D）。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，總體結(jié)果確實(shí)受到血液蛋白質(zhì)組的影響，當(dāng)去掉這些影響時(shí)，COVID-19 對(duì)宿主蛋白質(zhì)組的影響更具器官特異性，大多數(shù)組織現(xiàn)在表現(xiàn)出獨(dú)特且不同的差異調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)組（圖 3E-H）。免疫系統(tǒng)的循環(huán)介導(dǎo)效應(yīng)是 SARS-CoV-2 感染的全身效應(yīng)的一部分，本研究揭示了循環(huán)介導(dǎo)效應(yīng)在 COVID-19 組織蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)中的主導(dǎo)作用。

圖3. 全身炎癥反應(yīng)掩蓋了組織特異性效應(yīng)（圖源：Schweizer L, et al. EMBO Mol Med. 20

03.COVID-19 的肺部表現(xiàn)及相關(guān)肺部疾病的分類(lèi)

為了將組織蛋白質(zhì)組變化的非系統(tǒng)性影響與系統(tǒng)性影響區(qū)分開(kāi)來(lái)，本研究對(duì)COVID -19系統(tǒng)都進(jìn)行了去卷積。與健康肺組織（非病理對(duì)照，NPC）相比，COVID-19 肺組織中分別上調(diào) 384 個(gè)和下調(diào)533 個(gè)蛋白，針對(duì)病毒感染的免疫防御相關(guān)的蛋白顯著增加，肺部具有功能或者結(jié)構(gòu)意義的蛋白質(zhì)顯著下調(diào)（圖 4A）。富集分析發(fā)現(xiàn)，參與防御病毒感染的蛋白質(zhì)組裝通路顯著富集，與維持組織結(jié)構(gòu)相關(guān)的過(guò)程顯著減少（圖 4B）。進(jìn)一步將COVID-19的肺部表現(xiàn)與其他相關(guān)病理肺部疾病進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)了97個(gè)重要的蛋白質(zhì)，聚類(lèi)分析可以分為7簇（圖4C-E）。相關(guān)性水平分析，發(fā)現(xiàn)COVID-19 的蛋白質(zhì)組學(xué)特征與非 COVID19 DAD 的相關(guān)性最密切，反映了肺部 SARS-CoV-2 感染的主要組織病理學(xué)后果是顯性彌漫性肺泡損傷（圖4F）。

圖4. 肺部表現(xiàn)及相關(guān)肺部疾病的分類(lèi)（圖源：Schweizer L, et al. EMBO Mol Med. 2023

04.感染誘導(dǎo)的肺部磷酸化信號(hào)傳導(dǎo)

為了研究 SARS-CoV-2 如何影響肺部細(xì)胞內(nèi)信號(hào)級(jí)聯(lián)，本研究對(duì)16個(gè)COVID-19和20個(gè)對(duì)照樣本的FFPE組織樣本進(jìn)行了DIA磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)分析，在 2681 個(gè)蛋白質(zhì)上發(fā)現(xiàn)了 11531 個(gè)磷酸化位點(diǎn)。與 COVID-19 相比，NPC磷酸化蛋白質(zhì)組表現(xiàn)出顯著變化（圖5A）。富集分析及聚類(lèi)熱圖分析表明其顯著差異與COVID-19蛋白組中Rho GTPase信號(hào)的大幅下調(diào)、mRNA加工和剪接有關(guān)（圖5B-5D）。同時(shí)，mRNA處理、剪接機(jī)制和Rho GTPase信號(hào)的磷酸化增加與蛋白質(zhì)水平的顯著變化相關(guān)（圖5E）。

圖5 感染誘導(dǎo)的肺部磷酸化信號(hào)傳導(dǎo)（圖源：Schweizer L, et al. EMBO Mol Med. 2023）

05.COVID-19 中的器官特異性影響

本研究進(jìn)一步分析了SARS-CoV-2 感染后的全器官反應(yīng)。如圖6A、6B所示，對(duì)COVID-19和對(duì)照樣本的主動(dòng)脈/血管壁以及淋巴結(jié)組織進(jìn)行了差異蛋白的篩選。富集分析，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞周期檢查點(diǎn)等過(guò)程在淋巴結(jié)、肺中上調(diào)，白細(xì)胞介素12信號(hào)在淋巴結(jié)中顯著減少，肺、腎臟和肝臟中抗原加工交叉呈遞、吞噬作用相關(guān)的蛋白質(zhì)豐度增加（圖6C-H）。

圖6 COVID-19 中的器官特異性影響（圖源：Schweizer L, et al. EMBO Mol Med. 2

06.COVID-19 對(duì)大腦的繼發(fā)性炎癥作用

由于 COVID-19 感染的一些癥狀表明神經(jīng)系統(tǒng)惡化，為研究SARS-CoV-2 感染后死后階段的大腦蛋白質(zhì)組，本研究對(duì)腦干中基底神經(jīng)節(jié)和延髓的FFPE樣本進(jìn)行定量分析，共7檢測(cè)到4,000 多個(gè)蛋白質(zhì)，并進(jìn)行了差異蛋白表達(dá)分析（圖7A-7C、7F）。富集分析發(fā)現(xiàn)，“AMPA受體的轉(zhuǎn)運(yùn)”在基底神經(jīng)節(jié)中特異性地上調(diào)，表明炎癥導(dǎo)致AMPA受體上調(diào)。此外，髓磷脂蛋白脂質(zhì)蛋白 (PLP1) 和中性鞘磷脂酶 2 (SMPD3) 是COVID-19 延髓中下調(diào)幅度最大的蛋白之一，與大腦兩個(gè)區(qū)域髓鞘堿性蛋白（MBP）的顯著下調(diào)一致；相比之下，髓鞘-少突膠質(zhì)細(xì)胞糖蛋白 （MOG） 是延髓中最顯著上調(diào)的 COVID-19 蛋白之一（圖7G）。由于PLP1在COVID-19的肺部也下調(diào)，表明這可能是免疫特權(quán)大腦中的繼發(fā)性炎癥作用。

圖7 COVID-19 對(duì)大腦的繼發(fā)性炎癥作用（圖源：Schweizer L, et al. EMBO Mol Med.

三、拜譜小結(jié)

本研究對(duì)COVID-19多器官FFPE樣本進(jìn)行了蛋白質(zhì)組學(xué)分析，概括了全身炎癥反應(yīng)對(duì)跨器官病毒感染的主要作用，并將其與器官特異性效應(yīng)分開(kāi)。在肺組織中，COVID-19 引起的損傷最為廣泛，與其他破壞性肺部疾病有相似之處和不同之處。幾種組織類(lèi)型在響應(yīng) SARS-CoV-2感染時(shí)表現(xiàn)出獨(dú)特的特征，對(duì)腎臟、肝臟、淋巴和血管系統(tǒng)的直接和間接影響及大腦中的繼發(fā)性炎癥效應(yīng)均體現(xiàn)了COVID-19的多器官損害。

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參考文獻(xiàn)：Schweizer L, Schaller T, Zwiebel M, Karayel ?, Müller-Reif JB, Zeng WF, Dintner S, Nordmann TM, Hirschbühl K, M?rkl B, Claus R, Mann M. Quantitative multiorgan proteomics of fatal COVID-19 uncovers tissue-specific effects beyond inflammation. EMBO Mol Med. 2023 Sep 11;15(9):e17459. doi: 10.15252/emmm.202317459. Epub 2023 Jul 31.