思路 | 如何运用蛋白质组学技术研究病原-宿主互作?

景杰生物/报道

编者按：基于生物质谱的蛋白质组技术为精准医学在蛋白质水平的生命过程和生命现象提供了强有力的武器。除了癌症等领域的分子分型和标志物筛选验证以外，在感染性疾病的研究中也有广泛的应用。

今天为大家解读一篇发表在著名学术期刊Molecular Systems Biology上的经典综述文章，文章总结和阐述了蛋白质组技术在宿主-病原体互作研究中的案例和方法，并展望了其在实际临床中的应用，对于相关领域的研究者提供了很好的借鉴。

我们所处的环境中存在着各种各样的病原微生物，它们在适当的条件下能够识别并侵入到寄主的体内，导致很多感染性疾病，严重威胁着人类的健康。虽然抗生素的应用能够有效控制多数的细菌性感染，但其局限性和抗药性的弊端也已经日益显现。

在此背景下，人们需要更深入地理解病原菌和宿主之间的相互作用过程，并藉此开发更有效的治疗和预防手段。由于病原菌和宿主之间的识别从本质上讲是蛋白质之间的相互作用，因此蛋白质组技术在该领域研究中发挥了重要作用。

病原体入侵包括几个基本的步骤：

1，病原体和宿主细胞相互识别，通过内吞或者膜融合等方式进入到宿主细胞内；

2，病原体与宿主细胞发生一系列的相互作用，病原体能够干扰宿主细胞的免疫系统、劫持宿主细胞的部分原件为病原体利用；

3，实现病原体本身的复制、增殖和释放。

病原体入侵的基本的步骤

从这个角度出发，蛋白质组在病原菌生活史的各个环节都有重要的应用：（1）蛋白质组技术能够发现新的互作蛋白复合体、（2）解析病毒侵染前后宿主和病原体蛋白的表达和翻译后修饰变化、（3）解析侵染过程中的蛋白质动态时空分布变化。

蛋白质组技术在宿主-病原体相互作用中的应用方法概述

在研究互作蛋白复合体方面，主要策略是结合免疫共沉淀（co-IP）的方法，使用SILAC或者label-free的技术来比较侵染前后及侵染过程中蛋白互作情况变化。使用这种方法的典型例子是2015年, Cell Reports报道HCV病毒侵染会增强SRFBP1与CD18蛋白的结合，进一步验证发现的确SRFBP1对HCV的侵染过程有重要作用[2]。

 定量蛋白质组方法研究侵染过程中相关蛋白复合体变化的路线图

高通量蛋白质组技术非常适合于分析病原体侵染过程中的宿主/病原体蛋白的表达和时空分布差异情况，为侵染增殖的机制提供信息和解释。

定量蛋白质组技术检测侵染过程中宿主/病原体蛋白的表达和时空分布差异

2014年，哈佛大学的Steven Gygi实验组在Cell上发表相关论文，他们发现HCMV病毒侵染人类细胞不同时间点的蛋白质组变化情况，并将该方法命名为“quantitative temporal viromics(QTV)”，认为该方法在病毒等病原体和宿主相互作用研究中发挥重要作用[3]。在此基础上，2016年Cell System上报道了细胞各个亚细胞组分的蛋白在感染不同时期的差异变化，从而将原本的时间轴的蛋白质差异表达进一步深入到了时间和空间的蛋白质差异分布[4]。

除了蛋白质表达量的差异，各种各样的翻译后修饰（PTMs）也对蛋白质的功能有重要的调节作用。在宿主-病原体互作领域，翻译后修饰的重要意义也已得到不少研究结果的支持。

蛋白质翻译后修饰研究宿主/病原体相互作用

例如，病原体可以通过泛素化降解某些宿主防御相关的蛋白，进而营造有利于侵染的环境，病原体可以通过修饰来劫持宿主的信号通路体系为己所用，同时宿主也会通过磷酸化、乙酰化等来启动相应的信号转导过程。病原体和宿主之间的相互作用构成复杂的调节网络，是未来研究的重点方向。

文章还介绍了多组学联合分析在病原-宿主互作中的研究思路。基于生物质谱的组学技术，无疑将在该领域的研究中发挥越来越重要的作用。

宿主/病原体相互作用的多组学研究思路

基础研究的意义在于最终的实际应用，除了机制的解析为未来的治疗手段提供理论基础以外，蛋白质组技术在实际的临床检测和诊断中的作用也日益引起了人们的重视。当今医学已经进入了“精准医学”的时代，而除了研究火热的癌症分型及biomarker筛选以外，蛋白质组技术在感染性疾病的检测中也将大有用武之地。

当前很多感染性疾病，如HIV的确诊依赖于血清的IHV抗体阳性诊断，但HIV的潜伏期较长，抗体难以有效检出，是这种传统检测方法的主要缺点之一。而蛋白质组技术有望改善感染性疾病的检测方法，包括两个方面：首先通过高通量地筛选患者血清中的蛋白质组，寻找出病人早期特异的biomarker，这些biomarker可以来自于病原体或者是宿主本身；然后，使用高精确度和灵敏度的靶向蛋白质组技术（如PRM为代表的靶向蛋白质组学）进行验证和临床检测。临床蛋白质组体系有望在未来引领检测领域的深刻变革。

这篇综述详细总结了蛋白质组技术在宿主-病原体相互作用，及其应用于感染性疾病领域的研究和应用思路。蛋白质组技术可以从蛋白复合体分析、差异蛋白筛选、翻译后修饰检测等多个层次来解析宿主-病原体的相互作用。同时，基于高通量和靶向的临床蛋白质组体系有望在未来引起感染性疾病检测领域的变革。

参考文献：

[1] Beltran, Pierre, et al., 2017, Proteomics and integrative omic approaches for understanding host–pathogen interactions and infectious diseases. Molecular Systems Biology.

[2]  Gerold, Gisa, et al., 2015, Quantitative proteomics identifies serum response factor binding protein 1 as a host factor for hepatitis C virus entry. Cell Reports.

[3]  Weekes, Michael, et al., 2014, Quantitative temporal viromics: an approach to investigate host-pathogen interaction. Cell.

[4] Beltran, Pierre, et al., 2016, A portrait of the human organelle proteome in space and time during cytomegalovirus infection. Cell Systems.

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