空间蛋白组学在解析人脑各脑区，定义人脑复杂细胞和分子结构中的应用

大脑是生物体内结构和功能最复杂的组织。大脑之于人类的意义，正如人类历经几千年追寻浩瀚宇宙光年之外的奥秘，一直在“上下求索”。大脑是一个微缩的宇宙，拥有1000亿个神经元和100万亿个连接点，好比无数星系闪耀其中的宇宙，是人类探索的“终极疆域”。

近年来蓬勃发展的脑蛋白组学研究是绘制大脑功能分子图谱、全面理解大脑生理病理机制的必经途径。空间蛋白质组学“Spatial Proteomics”在定义人脑复杂的细胞和分子结构上具有巨大潜力，能够在蛋白质组的基础上，增加空间分辨率的信息。与全组织水平的分析相比，空间蛋白质组学可以获得组织内不同细胞和功能区域的蛋白表达谱；与单细胞水平的分析相比，空间蛋白质组学可以获得空间位置特异性的蛋白表达信息。空间蛋白质组学技术在解析人脑各脑区上有较大的“用武之地”。
 

复杂、高度分区化的人脑（来源：HPA官网）

研究目的1：绘制大脑的动态图谱

代表文章
Science | 建立人/猪/小鼠大脑蛋白编码基因图谱
2020年，瑞典卡罗林斯卡学院等团队在Science上发文“An atlas of the protein-coding genes in the human, pig, and mouse brain”^[1]，报道了人、猪和小鼠大脑中的蛋白编码基因图谱，研究使用转录组学和基于抗体的映射对这三个物种大脑的10个主要脑区和多个亚区进行了全面的分子解析，以确定区域表达谱，并研究了物种间表达水平的相似和差异。由此产生的数据已在人类蛋白质组图谱（Human Protein Atlas, HPA）数据库中公开提供，为人们探索大脑及其疾病的研究提供了坚实基础。
 

代表文章
Science | 空间蛋白探索神经元中心体蛋白互作组
中心体为细胞骨架提供细胞内锚定，调节细胞分裂、细胞迁移和纤毛形成。2022年6月，德国路德维希-马克西米利安大学等团队在Science上发文“Spatial centrosome proteome of human neural cells uncovers disease-relevant heterogeneity”^[2]，使用空间蛋白质组学方法阐明人类诱导的多能干细胞衍生神经干细胞（NSC）和神经元中心体的蛋白质相互作用网络。对神经发育疾病队列的分析发现，在脑室周围异位（PH）患者中，NSC中心体蛋白与变体显著高表达。总的来说，细胞类型特异性中心体蛋白互作组解释了普遍存在的蛋白质中的遗传变异如何传达大脑特异性表型。

研究目的2：探索大脑疾病的治疗方法
代表文章
Nat Neurosci | 空间多组学探索进行性多发性硬化症潜在治疗靶点
进行性多发性硬化症（MS）是一种无情的神经性病变，会导致累积性残疾，预防该疾病进展的药物开发是一项紧迫的临床需求，但由于对其复杂发病机制的不完全理解而受到限制。2022年6月，德国马普所Matthias Mann团队在Nature Neuroscience上发文“Identification of early neurodegenerative pathways in progressive multiple sclerosis”^[3]，采用新鲜冷冻人MS脑组织进行空间转录组和空间蛋白质组研究，确定了进行性MS的发病机制，并追踪了他们与神经变性的空间分布阶段相关的起源。本研究在65个灰质样本中共鉴定出4541种蛋白质，相关性分析发现绝大部分与神经退行性病变相关模块的mRNA和蛋白质表达水平趋势一致。另外，早期神经元衰退区域内的营养和抗炎细胞间通讯丢失，表明其具有作为进展性MS潜在治疗靶点的价值。

研究目的3：
开发探索神经科学的创新型技术
代表文章
J Proteome Res | 开发建立人脑贝兹细胞和浦肯野细胞空间蛋白质组方法
2019年，牛津大学团队在Journal of Proteome Research上发文“Development of a Sensitive, Scalable Method for Spatial, Cell-Type-Resolved Proteomics of the Human Brain”^[4]，介绍了一种灵敏、可扩展的空间蛋白质组方法，用于人脑初级运动皮层贝兹细胞和小脑皮层浦肯野细胞的蛋白质组对比研究。贝兹细胞和浦肯野细胞均是各自皮质的主要传出细胞层，但其主要神经递质用途不同。研究通过对10 μm厚的HE染色人脑切片进行了不同区域大小的鉴定探索，发现有526种蛋白仅存在于贝兹细胞中，126种蛋白仅存在于浦肯野细胞中，并从中发现浦肯野细胞的蛋白标志物，如CALB1、ITPR1、PRKCG和ALDOC。该方法的建立有助于挖掘人脑深层蛋白质组学数据的细胞生理学和功能。
 

代表文章
Nat Comms | ProteomEx膨胀蛋白质组学新方法
2022年11月30日，西湖大学Kiryl D. Piatkevich团队和西湖大学郭天南团队在Nature Communications上发表题为“Spatially resolved proteomics via tissue expansion”^[5]的文章，提出了基于膨胀水凝胶技术的空间蛋白质组学ProteomEx 新方法，该技术能够以~160 μm的横向分辨率（相当于~0.61 nL组织体积）分析组织切片样本的空间异质性。本研究从5个不同脑区获取144个含有具体定位信息的样本，共鉴定到6233种蛋白。在老年 AD 小鼠中，海马区差异蛋白最多，进一步解析海马区的亚区域，发现海马 CA1 亚区变化最明显，有198个差异蛋白。这些结果表明ProteomEx空间蛋白质组学技术可以有效地研究阿尔兹海默症的病理异质性。

ProteomEx 新技术解读：Nature Comms | 西湖大学Kiryl Piatkevich和郭天南团队发表可“膨胀”的空间蛋白质组学新技术详解

AD小鼠的空间蛋白质组学分析

相信在未来脑科学的发展中，无论是常规蛋白质组学还是空间蛋白质组学技术，都能够在脑科学的研究中大放异彩，协助科研人员取得更多的突破性进展。

编译：江燕
审校：刘晶晶

 

西湖欧米空间蛋白组学新品

西湖欧米将基于 ProteomEx 流程的空间蛋白质组学新技术进行转化，推出膨胀蛋白质组科研服务，通过将脑组织样本结合特色水凝胶材料进行等比的膨胀放大，从而实现不同脑组织区域的精准空间取样，结合新一代 4D-DIA 技术，实现蛋白质数据高灵敏度采集，以及后续的数据分析，最终获得不同脑组织区域的蛋白质组信息，助力脑科学的研究。

新品信息：空间蛋白组学 | 搭乘驶向新风口的快车

鼠脑膨胀前后对比，体积最大可膨胀512倍，便于精准空间位置取样

送样建议

样本类型	切片厚度
FFPE 蜡块	西湖欧米可负责切片
FFPE 切片	5-15 μm，推荐10 μm最佳
OCT 包埋组织块	西湖欧米可负责切片
OCT 切片	推荐10 μm
PFA 组织块	西湖欧米可负责切片
PFA 切片	推荐30 μm
新鲜组织	西湖欧米可负责包埋成 FFPE/OCT，或固定成 PFA，再进行相应切片

 

运输与寄送须知：

1. 组织块请直接寄送，需标注切面方式，如横切、纵切、冠状面等；

2. 切片请切到西湖欧米定制玻片上；

3. FFPE 请常温保存，常温运输；

4. OCT 及新鲜组织请-80℃保存，干冰运输；

5. PFA 请4℃保存，冰袋寄送。

如有意向，欢迎咨询

联系我们 CONTACT US：

邮箱：service@westlakeomics.com

座机：0571-86780630

参考文献：

[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.