血浆蛋白质组——忠实反映人体生理状态
血浆蛋白质组是血浆中所有蛋白的统称，包含了人体不同器官释放在血浆中的各类蛋白质标志物，忠实反映人体生理状态。
近年来，血浆蛋白质组学检测技术得到了长足发展，由于其高通量、灵明度高以及微创等特点，越来越多用于各种疾病的临床研究。新冠病毒是一种阳性单链RNA病毒，它具有引发宿主的呼吸道和胃肠道感染，导致患者心血管和神经系统疾病、多器官损伤、免疫反应失调和代谢功能障碍等特点。
本文以新冠患者为例，通过对新冠患者的血液（包含血细胞和血浆）进行蛋白质组分析，揭示血浆蛋白质组展现患者的免疫力和代谢水平的能力。
我们收集了66例新冠肺炎患者和17例健康人的血液样本，根据患者症状严重程度划分为轻症和重症两类，重症患者包括康复患者、治疗中患者和死亡患者三类。本研究中对患者和健康对照进行了转录组、血浆蛋白质组、血浆代谢组以及胞外转录组等4层组学的综合分析。
Fig.1
01
血浆蛋白质组检测可以反映患者的病理生理学特征
通过主成分分析显示，血液样本在多个组学层面均可以反映新冠患者病情的严重程度，同时血液样本在多个组学层面与疾病的临床指标都具有显著相关性（Fig1）。
我们以血浆蛋白质组为例进行解释。我们比较了新冠患者和健康人的血浆蛋白质组数据，发现与健康人群相比，患者的三羧酸循环和糖酵解水平低、免疫水平高，而且在疾病进展不同阶段存在着不同的免疫调节机制。这说明血浆蛋白质组可以很好的反映人的免疫力强弱，在患病后，患者的体内的代谢能力降低了，同时抵抗病毒的能力提升了(Fig2)。
Fig.2
进一步对轻重症患者的血浆蛋白质组以及临床指标进行加权基因共表达分析（WGCNA），发现了和临床指标显著相关的6组蛋白。其中激活部分血栓形成素时间（APTT）、IL-6和IL-10三个指标可以很好的区分轻重症患者，APTT与对应组中的蛋白趋势相反，IL-6和IL-10与蛋白趋势相同，这体现了血浆蛋白质组在临床检测中可以通过检测相应蛋白显示患者新冠病情的轻重。
Fig.3
02
血浆蛋白质组揭示了新冠病毒引起患者组织损伤
研究发现新冠感染会导致患者组织损伤，通过对患者的血浆蛋白质组分析，我们发现新冠患者体内维持人体组织功能的蛋白质存在显著下调，尤其是在肺、肝、脑、睾丸以及肠道等器官更加显著（Fig4）。
Fig.4
在患者体内，不同组织损伤各有其特点，血浆蛋白质组可以反映新冠患者多组织和器官损伤的不同特征。
以大脑为例，我们发现新冠患者大脑功能维持蛋白显著下调，具体来看，包括了调节神经递质合成蛋白、神经递质转运蛋白和神经递质受体数量显著下降，这导致了新冠患者脑部神经元死亡，损伤大脑功能（Fig5）。
Fig.5
03
血浆蛋白质组可以反映患者身体免疫力的变化
在先前血浆蛋白质组的研究中我们已经发现新冠患者在病程不同阶段具有不同的免疫力，轻症患者体内具有强烈的T细胞受体信号，在重症患者中抗病毒IFN信号通路显著上调(Fig6)。在此，我们将轻重症患者转录组测序结果根据采血时间不同进行X-cell与GSEA综合富集分析，轻症患者中T细胞高度富集，重症患者中性粒细胞和单核细胞高度富集，而在重症患者整个疾病进程中，患者体内的细胞因子IL-6、IL-8和IL-10均高表达且IFN-I信号持续激活的（Fig7）。
如果将患者继续细分为轻症患者、重症康复患者、重症治疗中患者、重者死亡患者4类，其中轻症患者具有强大的T细胞免疫反应,帮助患者抵御病毒的侵袭（fig8）。随着病程的发展，部分重症患者体内的T细胞受到激活，免疫力得到提升，最终康复。而另一部分重症患者体内高水平的中性粒细胞引发的自免疫可能会引起组织损伤，这也许是新冠病毒发病和导致患者死亡的原因（Fig7&Fig9）。
对新冠患者转录组层面的分析进一步验证了血液蛋白组学在反应患者免疫力强弱的准确性（Fig6）。
Fig.6
Fig.7
Fig.8
Fig.9
04
血浆蛋白质组可以反映患者代谢水平的变化
先前的血浆蛋白质组分析已经发现新冠患者体内发生了脂代谢、糖代谢以及三羧酸循环等失调（Fig10）。从代谢组水平进行分析，患病之后机体的脂蛋白代谢水平会发生显著变化，这些变化在患者康复出院后逐渐恢复。从血清蛋白质组层面来看，患者体内参与脂蛋白代谢的关键蛋白表达水平均低于健康人群，进一步证明了血浆蛋白质组反映脂代谢的可靠性(Fig10)。
Fig.10
05
血浆蛋白质组反映新冠重症患者预后信息
通过比较重症患者的病毒载量，我们发现了在重症患者的幸存组中病毒载量显著低于死亡组（Fig11）。分析两组患者之间的差异蛋白并进行通路富集，死亡组中与病毒复制相关的通路上调，幸存组中则是代谢相关通路上调。将两组患者病毒载量与通路进行相关性分析，幸存组患者的病毒载量越强，免疫力及代谢能力越高，病毒复制能力越弱；而在死亡组患者中，病毒载量越强，免疫力及代谢能力越低，病毒复制能力越强。先天性免疫在幸存组中与病毒载量呈负相关，在死亡组中呈正相关，进一步印证了在Fig9中的结论：新冠重症患者死亡是由于病毒诱导的先天免疫过度激活导致器官损伤所致。
这又一次证明了血浆蛋白质组在反映人体免疫力水平上的有效性。
Fig.11
通过对3层组学数据和临床指标进行模型构建以及性能预测分析，我们可以发现，血浆蛋白质组可以很好的将新冠患者的预后良恶进行区分，这证明了血浆蛋白质组在临床检测过程中预测新冠患者的预后情况是很有价值的(Fig12)。
Fig.12
06
血浆蛋白质组的应用
血浆蛋白质组在临床检测除了反映患者体内的代谢、免疫力等一系列生理指标，更重要的是在其他各类急、慢性疾病以及肿瘤的早筛、诊断和治疗等领域具有重要意义，具有广泛的应用价值。
左：Plasma Proteome Profiling Reveals Dynamics of Inflammatory and Lipid Homeostasis Markers after Roux-En-Y Gastric Bypass Surgery (Cell System. 2018)
右：Plasma proteome profiling discovers novel proteins associated with non-alcoholic fatty liver disease (Mol Syst Biol. 2019)
Multi-Platform Proteomic Analysis of Alzheimer’s Disease Cerebrospinal Fluid and Plasma Reveals Network Biomarkers Associated with Proteostasis and the Matrisome (bioRxiv. 2022)
Longitudinal plasma proteomic profiling of patients with non-small cell lung cancer undergoing immune checkpoint blockade (Journal for Immunotherapy of Cancer. 2022)
Biomarker Candidates for Tumors Identified from Deep-Profiled Plasma Stem Predominantly from the Low Abundant Area (J. Proteome Res. 2022)
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