大腦是生物體內(nèi)結(jié)構(gòu)和功能最復(fù)雜的組織。大腦之于人類的意義，正如人類歷經(jīng)幾千年追尋浩瀚宇宙光年之外的奧秘，一直在“上下求索”。大腦是一個(gè)微縮的宇宙，擁有1000億個(gè)神經(jīng)元和100萬億個(gè)連接點(diǎn)，好比無數(shù)星系閃耀其中的宇宙，是人類探索的“終極疆域”。

近年來蓬勃發(fā)展的腦蛋白組學(xué)研究是繪制大腦功能分子圖譜、全面理解大腦生理病理機(jī)制的必經(jīng)途徑。空間蛋白質(zhì)組學(xué)“Spatial Proteomics”在定義人腦復(fù)雜的細(xì)胞和分子結(jié)構(gòu)上具有巨大潛力，能夠在蛋白質(zhì)組的基礎(chǔ)上，增加空間分辨率的信息。與全組織水平的分析相比，空間蛋白質(zhì)組學(xué)可以獲得組織內(nèi)不同細(xì)胞和功能區(qū)域的蛋白表達(dá)譜；與單細(xì)胞水平的分析相比，空間蛋白質(zhì)組學(xué)可以獲得空間位置特異性的蛋白表達(dá)信息�？臻g蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)在解析人腦各腦區(qū)上有較大的“用武之地”。
 

復(fù)雜、高度分區(qū)化的人腦（來源：HPA官網(wǎng)）

研究目的1：繪制大腦的動(dòng)態(tài)圖譜

代表文章
Science | 建立人/豬/小鼠大腦蛋白編碼基因圖譜
2020年，瑞典卡羅林斯卡學(xué)院等團(tuán)隊(duì)在Science上發(fā)文“An atlas of the protein-coding genes in the human, pig, and mouse brain”^[1]，報(bào)道了人、豬和小鼠大腦中的蛋白編碼基因圖譜，研究使用轉(zhuǎn)錄組學(xué)和基于抗體的映射對這三個(gè)物種大腦的10個(gè)主要腦區(qū)和多個(gè)亞區(qū)進(jìn)行了全面的分子解析，以確定區(qū)域表達(dá)譜，并研究了物種間表達(dá)水平的相似和差異。由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)已在人類蛋白質(zhì)組圖譜（Human Protein Atlas, HPA）數(shù)據(jù)庫中公開提供，為人們探索大腦及其疾病的研究提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
 

對哺乳動(dòng)物大腦解剖區(qū)域的全基因組轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析揭示了區(qū)域和物種特異性表達(dá)

代表文章
Science | 空間蛋白探索神經(jīng)元中心體蛋白互作組
中心體為細(xì)胞骨架提供細(xì)胞內(nèi)錨定，調(diào)節(jié)細(xì)胞分裂、細(xì)胞遷移和纖毛形成。2022年6月，德國路德維希-馬克西米利安大學(xué)等團(tuán)隊(duì)在Science上發(fā)文“Spatial centrosome proteome of human neural cells uncovers disease-relevant heterogeneity”^[2]，使用空間蛋白質(zhì)組學(xué)方法闡明人類誘導(dǎo)的多能干細(xì)胞衍生神經(jīng)干細(xì)胞（NSC）和神經(jīng)元中心體的蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)。對神經(jīng)發(fā)育疾病隊(duì)列的分析發(fā)現(xiàn)，在腦室周圍異位（PH）患者中，NSC中心體蛋白與變體顯著高表達(dá)。總的來說，細(xì)胞類型特異性中心體蛋白互作組解釋了普遍存在的蛋白質(zhì)中的遺傳變異如何傳達(dá)大腦特異性表型。

神經(jīng)中心體蛋白質(zhì)組揭示細(xì)胞類型特異性蛋白質(zhì)中樞

研究目的2：探索大腦疾病的治療方法
代表文章
Nat Neurosci | 空間多組學(xué)探索進(jìn)行性多發(fā)性硬化癥潛在治療靶點(diǎn)
進(jìn)行性多發(fā)性硬化癥（MS）是一種無情的神經(jīng)性病變，會(huì)導(dǎo)致累積性殘疾，預(yù)防該疾病進(jìn)展的藥物開發(fā)是一項(xiàng)緊迫的臨床需求，但由于對其復(fù)雜發(fā)病機(jī)制的不完全理解而受到限制。2022年6月，德國馬普所Matthias Mann團(tuán)隊(duì)在Nature Neuroscience上發(fā)文“Identification of early neurodegenerative pathways in progressive multiple sclerosis”^[3]，采用新鮮冷凍人MS腦組織進(jìn)行空間轉(zhuǎn)錄組和空間蛋白質(zhì)組研究，確定了進(jìn)行性MS的發(fā)病機(jī)制，并追蹤了他們與神經(jīng)變性的空間分布階段相關(guān)的起源。本研究在65個(gè)灰質(zhì)樣本中共鑒定出4541種蛋白質(zhì)，相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)絕大部分與神經(jīng)退行性病變相關(guān)模塊的mRNA和蛋白質(zhì)表達(dá)水平趨勢一致。另外，早期神經(jīng)元衰退區(qū)域內(nèi)的營養(yǎng)和抗炎細(xì)胞間通訊丟失，表明其具有作為進(jìn)展性MS潛在治療靶點(diǎn)的價(jià)值。

腦灰質(zhì)區(qū)域空間蛋白質(zhì)組檢測
 

根據(jù)候選配體受體對相互作用評分篩選治療靶點(diǎn)

研究目的3：
開發(fā)探索神經(jīng)科學(xué)的創(chuàng)新型技術(shù)
代表文章
J Proteome Res | 開發(fā)建立人腦貝茲細(xì)胞和浦肯野細(xì)胞空間蛋白質(zhì)組方法
2019年，牛津大學(xué)團(tuán)隊(duì)在Journal of Proteome Research上發(fā)文“Development of a Sensitive, Scalable Method for Spatial, Cell-Type-Resolved Proteomics of the Human Brain”^[4]，介紹了一種靈敏、可擴(kuò)展的空間蛋白質(zhì)組方法，用于人腦初級運(yùn)動(dòng)皮層貝茲細(xì)胞和小腦皮層浦肯野細(xì)胞的蛋白質(zhì)組對比研究。貝茲細(xì)胞和浦肯野細(xì)胞均是各自皮質(zhì)的主要傳出細(xì)胞層，但其主要神經(jīng)遞質(zhì)用途不同。研究通過對10 μm厚的HE染色人腦切片進(jìn)行了不同區(qū)域大小的鑒定探索，發(fā)現(xiàn)有526種蛋白僅存在于貝茲細(xì)胞中，126種蛋白僅存在于浦肯野細(xì)胞中，并從中發(fā)現(xiàn)浦肯野細(xì)胞的蛋白標(biāo)志物，如CALB1、ITPR1、PRKCG和ALDOC。該方法的建立有助于挖掘人腦深層蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)的細(xì)胞生理學(xué)和功能。
 

小腦皮質(zhì)空間蛋白質(zhì)組學(xué)工作流程

代表文章
Nat Comms | ProteomEx膨脹蛋白質(zhì)組學(xué)新方法
2022年11月30日，西湖大學(xué)Kiryl D. Piatkevich團(tuán)隊(duì)和西湖大學(xué)郭天南團(tuán)隊(duì)在Nature Communications上發(fā)表題為“Spatially resolved proteomics via tissue expansion”^[5]的文章，提出了基于膨脹水凝膠技術(shù)的空間蛋白質(zhì)組學(xué)ProteomEx 新方法，該技術(shù)能夠以~160 μm的橫向分辨率（相當(dāng)于~0.61 nL組織體積）分析組織切片樣本的空間異質(zhì)性。本研究從5個(gè)不同腦區(qū)獲取144個(gè)含有具體定位信息的樣本，共鑒定到6233種蛋白。在老年 AD 小鼠中，海馬區(qū)差異蛋白最多，進(jìn)一步解析海馬區(qū)的亞區(qū)域，發(fā)現(xiàn)海馬 CA1 亞區(qū)變化最明顯，有198個(gè)差異蛋白。這些結(jié)果表明ProteomEx空間蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)可以有效地研究阿爾茲海默癥的病理異質(zhì)性。

ProteomEx 新技術(shù)解讀：Nature Comms | 西湖大學(xué)Kiryl Piatkevich和郭天南團(tuán)隊(duì)發(fā)表可“膨脹”的空間蛋白質(zhì)組學(xué)新技術(shù)詳解

AD小鼠的空間蛋白質(zhì)組學(xué)分析

相信在未來腦科學(xué)的發(fā)展中，無論是常規(guī)蛋白質(zhì)組學(xué)還是空間蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)，都能夠在腦科學(xué)的研究中大放異彩，協(xié)助科研人員取得更多的突破性進(jìn)展。

編譯：江燕
審校：劉晶晶

西湖歐米空間蛋白組學(xué)新品

西湖歐米將基于 ProteomEx 流程的空間蛋白質(zhì)組學(xué)新技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，推出膨脹蛋白質(zhì)組科研服務(wù)，通過將腦組織樣本結(jié)合特色水凝膠材料進(jìn)行等比的膨脹放大，從而實(shí)現(xiàn)不同腦組織區(qū)域的精準(zhǔn)空間取樣，結(jié)合新一代 4D-DIA 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)高靈敏度采集，以及后續(xù)的數(shù)據(jù)分析，最終獲得不同腦組織區(qū)域的蛋白質(zhì)組信息，助力腦科學(xué)的研究。

新品信息：空間蛋白組學(xué) | 搭乘駛向新風(fēng)口的快車

鼠腦膨脹前后對比，體積最大可膨脹512倍，便于精準(zhǔn)空間位置取樣

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參考文獻(xiàn)：

[1] Sjöstedt E, Zhong W, Fagerberg L, et al. An atlas of the protein-coding genes in the human, pig, and mouse brain. Science. 2020 Mar 6;367(6482):eaay5947.

[2] O'Neill AC, Uzbas F, Antognolli G, et al. Spatial centrosome proteome of human neural cells uncovers disease-relevant heterogeneity. Science. 2022 Jun 17;376(6599):eabf9088.

[3] Kaufmann M, Schaupp AL, Sun R, et al. Identification of early neurodegenerative pathways in progressive multiple sclerosis. Nat Neurosci. 2022 Jul;25(7):944-955.

[4] Davis S, Scott C, Ansorge O, et al. Development of a Sensitive, Scalable Method for Spatial, Cell-Type-Resolved Proteomics of the Human Brain. J Proteome Res. 2019 Apr 5;18(4):1787-1795.

[5] Li L, Sun C, Sun Y, et al. Spatially resolved proteomics via tissue expansion. Nat Commun. 2022 Nov 30;13(1):7242.