2025年4月16日，德國馬普所Matthias Mann團隊聯(lián)合多國研究者在《Nature》發(fā)表題為"Deep Visual Proteomics maps proteotoxicity in a genetic liver disease"的突破性研究！研究通過團隊自主開發(fā)的深度視覺蛋白質(zhì)組技術(shù)（DVP），首次在α1-抗胰蛋白酶缺乏癥（AATD）患者肝組織中繪制了單細胞分辨率下蛋白質(zhì)毒性反應(yīng)的空間蛋白圖譜，為理解遺傳性肝病進展機制提供了全新視角。

研究背景

AATD是由SERPINA1基因突變引起的遺傳病，全球每2000人中即有1例。突變導(dǎo)致α1-抗胰蛋白酶（AAT）在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)異常聚集，引發(fā)肝細胞應(yīng)激和纖維化。盡管已知AAT積累是致病核心，但：

• 肝細胞如何逐步響應(yīng)蛋白質(zhì)毒性壓力？

• 不同纖維化階段的分子異質(zhì)性是什么？

• 細胞間應(yīng)激信號傳遞機制有哪些？

這三個問題仍然是未解之謎，而傳統(tǒng)模型系統(tǒng)（如小鼠或iPSC）難以復(fù)現(xiàn)人類組織中的復(fù)雜微環(huán)境，所以需要對人類組織進行高分辨率空間蛋白質(zhì)組學(xué)分析以解答以上問題。

研究目的

利用基于FFPE臨床樣本的高分辨率空間蛋白質(zhì)組學(xué)方法，實現(xiàn)：

• 單細胞水平空間層面解析AAT積累的蛋白分子級聯(lián)反應(yīng)

• 追蹤不同纖維化階段的應(yīng)激響應(yīng)空間特征

• 揭示細胞自主性與微環(huán)境互作機制及空間分布

• 發(fā)現(xiàn)AATD的潛在治療靶點

核心假設(shè)

AAT積累觸發(fā)動態(tài)的蛋白表達響應(yīng)程序，可能存在早期潛在標(biāo)志物，且晚期纖維化樣本呈現(xiàn)獨特的蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)崩潰特征，細胞間存在應(yīng)激信號傳遞的形態(tài)學(xué)證據(jù)。

樣本策略

納入34例Pi*ZZ純合患者（丹麥16例+德國18例）的FFPE樣本

• 活檢樣本：F1-F3纖維化階段（n=21）

• 移植肝樣本：終末期F4（n=5）

• 技術(shù)重復(fù)樣本（n=8）

所有樣本經(jīng)病理確認(rèn)（天狼星紅/三色染色），配套臨床數(shù)據(jù)包括年齡（58±10歲）、BMI（25.2±4.0）、飲酒史等。

技術(shù)突破：Deep Visual Proteomics

深度視覺蛋白質(zhì)組學(xué)（Deep Visual Proteomics, DVP）是Mann團隊開發(fā)的一種融合人工智能、空間生物學(xué)與超靈敏質(zhì)譜的空間蛋白質(zhì)檢測技術(shù)體系。有以下特點：

• AI驅(qū)動的細胞形態(tài)分類（ConvNeXt神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）

• 根據(jù)智能形態(tài)區(qū)域劃分進行激光顯微切割

• 超高靈敏度質(zhì)譜（Orbitrap Astral）

本文利用其團隊開發(fā)的DVP技術(shù)實現(xiàn)從單個組織切割塊（大約10~15 cells）中檢測到高達4300種蛋白質(zhì)，并通過2048個圖像特征進行形態(tài)-蛋白質(zhì)組關(guān)聯(lián)分析，最后構(gòu)建纖維化階段特異性蛋白網(wǎng)絡(luò)。具體研究結(jié)果如下所述。

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)

一、構(gòu)建AATD患者肝臟組織的深度蛋白質(zhì)組圖譜

為了解析AATD中蛋白質(zhì)毒性應(yīng)激的分子機制及纖維化階段的動態(tài)變化，研究團隊對34例AATD患者（Pi*ZZ基因型）的FFPE肝活檢組織（涵蓋纖維化階段F1-F4）進行Deep Visual Proteomics（DVP）高分辨率空間蛋白質(zhì)組學(xué)分析。通過激光顯微切割分離單個肝臟組織塊（體積相當(dāng)于10-15個細胞），利用高靈敏度Orbitrap Astral質(zhì)譜進行蛋白質(zhì)組定量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)高AAT積累細胞中過氧化物酶體（peroxisome）顯著上調(diào)（23倍差異），早于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)未折疊蛋白反應(yīng)（UPR）的經(jīng)典通路。AAT積累具有細胞內(nèi)在性，相鄰細胞間應(yīng)激傳遞有限，提示病理進程主要由細胞自主機制驅(qū)動。

圖1. DVP流程與顯微切割示意圖

二、蛋白質(zhì)毒性應(yīng)激的時空動態(tài)特征

隨后研究團隊根據(jù)AAT積累水平將細胞分為低、中、高三類，結(jié)合單細胞蛋白質(zhì)組學(xué)和通路富集分析，發(fā)現(xiàn)過氧化物酶體生物發(fā)生因子（如PEX11B）和抗氧化蛋白（硫氧還蛋白）優(yōu)先上調(diào)（早期響應(yīng)），伴隨脂代謝重編程。UPR核心通路（ATF6、PERK、IRE1）激活延遲（晚期響應(yīng)），線粒體復(fù)合體I活性降低。過氧化物酶體反應(yīng)在晚期纖維化（F4）中啟動時間顯著延長，提示其作為潛在干預(yù)窗口。

圖3.單細胞水平繪制完整組織空間蛋白表達圖譜

四、形態(tài)學(xué)指導(dǎo)的DVP揭示球形蛋白聚集體與細胞凋亡關(guān)聯(lián)

在這個AI發(fā)展正旺的時代，生物學(xué)實驗也在逐步響應(yīng)發(fā)展的號召。作者利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN, ConvNeXt）對肝切除樣本中的AAT聚集體進行形態(tài)分型，結(jié)合激光顯微切割和質(zhì)譜分析12,500個細胞，用CNN將肝細胞分為“球形聚集體”“無定形聚集體”和正常細胞。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與凋亡誘導(dǎo)因子TNFSF10（TRAIL）和炎癥標(biāo)志物CRP顯著相關(guān)，伴隨UPR核心蛋白（如ERO1A）下調(diào)，且以未折疊蛋白響應(yīng)通路激活為主，提示球形聚集體代表晚期死亡表型。此外，還發(fā)現(xiàn)了新的潛在標(biāo)志物，EGFL7（表皮生長因子樣結(jié)構(gòu)域蛋白7）在球形聚集體中特異性高表達，與肝癌預(yù)后不良相關(guān)。

圖4. 結(jié)合人工智能圖像分析的DVP技術(shù)解析AAT聚集形態(tài)特征

五、臨床轉(zhuǎn)化意義與治療靶點探索

前面部分中作者發(fā)現(xiàn)了低纖維化階段（F1）過氧化物酶體活性顯著增強，所以推測PPAR-α激動劑（如貝特類藥物）可能通過促進過氧化物酶體生物合成改善晚期肝纖維化，因其安全性已獲驗證，可快速進入臨床使用。

研究總結(jié)

本研究通過空間深度視覺蛋白質(zhì)組學(xué)（DVP）技術(shù)，首次在單細胞分辨率下揭示了AATD患者肝組織中蛋白質(zhì)毒性應(yīng)激的空間蛋白異質(zhì)性。結(jié)合激光顯微切割與人工智能圖像分析，精準(zhǔn)定位到AAT高負(fù)荷細胞，發(fā)現(xiàn)過氧化物酶體在AAT聚集早期即顯著上調(diào)，且其激活具有空間特異性，早于傳統(tǒng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激通路。結(jié)合AI形態(tài)學(xué)分型發(fā)現(xiàn)球形AAT聚集體與凋亡標(biāo)志物TNFSF10密切相關(guān)，提示EGFL7可作為終末死亡表型的生物標(biāo)志物，同時指出低纖維化階段過氧化物酶體活性增強或為干預(yù)新靶點，為靶向蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的精準(zhǔn)治療提供理論依據(jù)。