“生命科學(xué)領(lǐng)域目前只有一個(gè)公認(rèn)的核心法則：中心法則，即生命的遺傳信息從 DNA 傳遞到 RNA，再傳遞到蛋白質(zhì)。如果 DNA 或 RNA 出現(xiàn)影響到生命活動(dòng)的故障，一定會(huì)反映到蛋白質(zhì)上，” 西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院特聘研究員郭天南博士說(shuō)。

在郭天南眼中，蛋白質(zhì)組學(xué)研究十分重要，他作了一個(gè)形象的比喻，如果把人看成一輛汽車，那么這輛汽車的各個(gè)零部件，包括發(fā)動(dòng)機(jī)、剎車、輪胎等，就可以看作各種蛋白質(zhì)組成的蛋白質(zhì)組。當(dāng)疾病發(fā)生的時(shí)候，一定是某些蛋白質(zhì)出現(xiàn)了問(wèn)題。

蛋白質(zhì)組學(xué)研究作為如此重要的一個(gè)領(lǐng)域，事實(shí)上研究人員卻少之又少，“在國(guó)際上，蛋白質(zhì)組學(xué)會(huì)議的活躍參會(huì)人員就一千多人，可能不到基因組學(xué)研究人員的 1/10，但是蛋白質(zhì)組研究的復(fù)雜性及普適性可能是基因組的 1000 倍甚至更高?！?而郭天南就是該領(lǐng)域的專家之一。

圖｜郭天南（來(lái)源：西湖大學(xué)）

1 月 9 日，西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院郭天南課題組與合作團(tuán)隊(duì)（華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院胡豫、夏家紅、聶秀團(tuán)隊(duì)）在 Cell 在線發(fā)表了題為 “Multi-organ Proteomic Landscape of COVID-19 Autopsies” 的最新研究論文，繪制了首個(gè) 2020 年初因新冠肺炎去世的患者體內(nèi)多器官組織樣本中蛋白質(zhì)分子病理全景圖。

圖｜相關(guān)論文

這是在全球范圍內(nèi)首次從蛋白質(zhì)分子水平上，對(duì)新冠患者多個(gè)關(guān)鍵器官針對(duì)新冠病毒感染做出的響應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)和系統(tǒng)的分析，為臨床工作者和研究人員制定治療方案、開(kāi)發(fā)新的藥物及治療方法提供了線索和依據(jù)。

感染新冠病毒后 5336 個(gè)蛋白質(zhì)分子發(fā)生改變，肝臟受到的損傷可能比較大

“在收集到新冠患者的組織器官樣本后，傳統(tǒng)的基于顯微鏡的病理檢測(cè)方法可以將樣品放大數(shù)百倍后觀察形態(tài)學(xué)的改變，但我們并不知道蛋白質(zhì)分子層面發(fā)生了什么?！薄爸挥性诜肿铀缴线M(jìn)行研究才可以獲得疾病發(fā)生發(fā)展的深刻理解，才有可能開(kāi)發(fā)出更加精準(zhǔn)的診斷和治療方法。” 郭天南告訴 DeepTech。

西湖大學(xué)郭天南團(tuán)隊(duì)及其合作者對(duì) 19 名新冠肺炎去世患者的 7 種器官（肺、脾、肝、心臟、腎臟、甲狀腺和睪丸）進(jìn)行了蛋白質(zhì)組學(xué)分析。

圖｜新冠病人多器官樣本采集和鏡下病理學(xué)檢查

通過(guò)鏡下的病理學(xué)檢查，可以發(fā)現(xiàn)這些病人的肺部出現(xiàn)彌漫性肺泡損傷，肺纖維化，中性粒細(xì)胞浸潤(rùn)及血栓形成等病理改變，脾臟白髓萎縮，肝臟發(fā)生脂肪化生和部分病例出現(xiàn)梗死，心臟發(fā)生心肌水腫及間質(zhì)淋巴細(xì)胞浸潤(rùn)現(xiàn)象，腎臟發(fā)現(xiàn)急性腎小管損傷。

接下來(lái)，團(tuán)隊(duì)基于高壓循環(huán)技術(shù)（PCT）及串聯(lián)質(zhì)譜標(biāo)記（Tandem Mass Tag，TMT）結(jié)合鳥(niǎo)槍法蛋白質(zhì)組技術(shù)，鑒定了 11394 個(gè)人源蛋白質(zhì)分子，繪制出新冠危重癥死亡患者的多器官蛋白分子全景圖。

圖｜新冠病人多器官蛋白質(zhì)組定量示意圖

被量化的這 11394 個(gè)蛋白，在肽和蛋白水平上的錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)率 (FDR) 都小于 1%。在七種不同類型的器官中，鑒定出的蛋白質(zhì)數(shù)量從 5828（心臟）到 9544（腎臟）不等。與非新冠患者的對(duì)照組織樣本比較，總共有 5336 個(gè)蛋白質(zhì)發(fā)生了改變。

圖｜新冠病人死亡患者多器官蛋白分子病理全景圖

其中，在人體七類器官組織中，脾臟紅髓里未鑒定到明顯改變的蛋白，而肝臟里改變的蛋白數(shù)量最多 (N=1970)，這意味著新冠肺炎致死患者中肝臟受到的損傷可能比較大。

這項(xiàng)研究為臨床工作者和研究人員制定治療方案、開(kāi)發(fā)新的藥物及治療方法提供了線索和依據(jù)。

ACE2 蛋白幫助新冠病毒進(jìn)入人體，組織蛋白酶 L 或是阻斷病毒入侵的潛在治療靶點(diǎn)

2020 年 2 月，西湖大學(xué)周強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室首次成功解析新型冠狀病毒細(xì)胞表面受體 ACE2（病毒受體血管緊張素轉(zhuǎn)化酶 2，人體內(nèi)調(diào)解血壓的一個(gè)蛋白）的全長(zhǎng)三維結(jié)構(gòu)，以及新型冠狀病毒表面 S 蛋白受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域與細(xì)胞表面受體 ACE2 全長(zhǎng)蛋白復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)。

圖｜新冠病毒 S 蛋白受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域（RBD）和 ACE2 的相互作用示意圖

這項(xiàng)研究揭示了新冠病毒入侵人體的方式，即需要冠狀病毒表面的 S 蛋白與人體細(xì)胞表面的 ACE2 蛋白相結(jié)合，S 蛋白 “抓住” ACE2 后冠狀病毒才能大搖大擺進(jìn)入人體，然后大量增殖。

“大家憑直覺(jué)會(huì)認(rèn)為如果把 ACE2 阻斷掉，新冠病毒就不能進(jìn)入人體了。于是推論那些因?yàn)樾鹿诓《舅劳龅幕颊?，他們?ACE2 應(yīng)該比常人多，從而他們受到新冠病毒的損傷就會(huì)更大，進(jìn)而導(dǎo)致死亡?！?郭天南告訴 DeepTech。

然而，臨床樣品的蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)顯示，事實(shí)并非如猜測(cè)般那樣。郭天南課題組和合作團(tuán)隊(duì)經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在這些死亡患者里，ACE2 并不比對(duì)照樣品高，實(shí)際上并沒(méi)有什么區(qū)別。反而他們發(fā)現(xiàn)一個(gè)與 ACE2 相關(guān)的組織蛋白酶 L（CTSL），在新冠確診患者體內(nèi)顯著提高了。

圖｜病毒侵入人體后多器官高炎癥狀態(tài)及組織損傷相關(guān)特異性分子變化示意圖。其中紅 / 綠框黑字分別表示明顯上 / 下調(diào)的蛋白，紅 / 綠框白字表示明顯激活 / 抑制的通路，白框表示未定量或未失調(diào)的蛋白。

這提示 ACE2 的表達(dá)水平并沒(méi)有在新冠致死患者中出現(xiàn)明顯改變，僅僅是新冠病毒進(jìn)入人體的一個(gè)通道，而 CTSL 卻可能是阻斷病毒入侵的潛在治療靶點(diǎn)。

“CTSL 很關(guān)鍵，因?yàn)椴《九c ACE2 結(jié)合后必須要通過(guò) CTSL 才能釋放，然后進(jìn)行擴(kuò)增。所以我們的研究結(jié)果提示針對(duì) CTSL 的治療方法可能會(huì)更加有效。這是新冠死亡患者與其他病例一個(gè)顯著的差異?！?郭天南說(shuō)。

新冠死亡患者睪丸組織中 10 個(gè)蛋白發(fā)生明顯改變，生育能力可能受到影響

關(guān)于新冠病毒對(duì)各個(gè)器官的影響，研究團(tuán)隊(duì)中的臨床合作者在 2020 年 5 月曾第一次報(bào)告新冠病毒感染死亡患者的睪丸存在生精小管損傷，Leydig 細(xì)胞（與男性雄性激素合成及分泌緊密相關(guān)）減少和輕度淋巴細(xì)胞炎癥等病理改變，但從來(lái)沒(méi)有對(duì)睪丸在分子水平上進(jìn)行分析。

合作團(tuán)隊(duì)對(duì)睪丸組織進(jìn)行了蛋白質(zhì)組學(xué)分析，首次找到了新冠患者的睪丸組織中發(fā)生明顯改變的 10 個(gè)蛋白，它們的功能與膽固醇合成抑制、精子活性降低和 Leydig 細(xì)胞特異標(biāo)記物減少緊密相關(guān)。

圖｜新冠去世患者睪丸間隙 Leydig 細(xì)胞相對(duì)減少，組織內(nèi)明顯下調(diào)的蛋白及相關(guān)通路示意圖

郭天南表示，“我們?cè)诓G丸組織中鑒定到近一萬(wàn)個(gè)蛋白，其中改變最顯著的一個(gè)‘萬(wàn)里挑一’的蛋白叫胰島素樣因子 3（INSL3），它的下降是最明顯的。另外組織內(nèi)還有其它一些明顯下調(diào)的蛋白，這就提示提示這些男性新冠患者的生育能力可能受到影響?！?/p>

當(dāng)然，本研究也存在一定的局限性，即這些數(shù)據(jù)是基于新冠死亡患者的組織樣本，至于在輕癥和重癥患者中是否會(huì)產(chǎn)生同樣的變化，還需要進(jìn)一步研究。但這些數(shù)據(jù)可以給予醫(yī)療工作者一定的啟示，或有必要對(duì)男性新冠患者采取相應(yīng)的預(yù)防和保護(hù)措施。

從臨床醫(yī)學(xué)走向蛋白質(zhì)組研究，2017 年加入西湖大學(xué)

2006 年郭天南畢業(yè)于華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院臨床醫(yī)學(xué)七年制，同時(shí)獲得武漢大學(xué)生物科學(xué)雙學(xué)位，2012 年在新加坡南洋理工大學(xué)獲得博士學(xué)位。

從臨床醫(yī)學(xué)到蛋白質(zhì)組學(xué)，郭天南在研究領(lǐng)域上的轉(zhuǎn)變?cè)从诋?dāng)時(shí)醫(yī)學(xué)界一個(gè)突破性的進(jìn)展，一款名叫 Glivec/Gleevec（格列衛(wèi)）的 “神藥” 橫空出世，能夠讓 90% 以上的白血病患者得到救治。那時(shí)郭天南意識(shí)到科學(xué)研究和臨床醫(yī)學(xué)實(shí)際上是不同的但是即將交叉的兩個(gè)維度，格列衛(wèi)就是一款針對(duì)一個(gè)在實(shí)驗(yàn)室里發(fā)現(xiàn)的融合蛋白的藥物。他逐漸對(duì)蛋白質(zhì)產(chǎn)生了興趣，隨后去到新加坡繼續(xù)深造，他想知道 “各種疾病在分子水平到底是哪些蛋白質(zhì)出現(xiàn)了問(wèn)題，其他的疾病能不能找到類似的神藥”。

2017 年夏，郭天南從悉尼大學(xué)兒童醫(yī)學(xué)研究所回國(guó)，得到了浙江西湖高等研究院（西湖大學(xué)前身）的施一公教授和饒毅教授等的支持，他們都認(rèn)同蛋白質(zhì)組學(xué)在生命科學(xué)領(lǐng)域的重要性。于是 2017 年 8 月，郭天南加入浙江西湖高等研究院擔(dān)任特聘研究員。

郭天南成為了西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院蛋白質(zhì)組大數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)室的課題組組長(zhǎng)，這是一個(gè)具有交叉學(xué)科背景課題組，他介紹道，“我們團(tuán)隊(duì)包含醫(yī)學(xué)、藥學(xué)等臨床方面的同學(xué)，也有生物化學(xué)、分析化學(xué)、數(shù)學(xué)建模、軟件工程、機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)科學(xué)等背景的同學(xué)。并且我們團(tuán)隊(duì)同多個(gè)學(xué)科的國(guó)內(nèi)外科學(xué)家保持著密切的合作?！?/p>

結(jié)合當(dāng)下的大數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)，郭天南課題組通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)，探索在各種生理和病理狀態(tài)下蛋白質(zhì)表達(dá)和變化的數(shù)學(xué)規(guī)律，重點(diǎn)關(guān)注人類重大疾?。ㄈ缒[瘤和代謝性疾?。┑木珳?zhǔn)分型、預(yù)后預(yù)測(cè)和精準(zhǔn)治療等，引導(dǎo)人工智能技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮出關(guān)鍵作用。

大數(shù)據(jù)助力現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究，有望理解更多復(fù)雜病例

郭天南告訴 DeepTech，“根據(jù)不同目的、不同數(shù)據(jù)，會(huì)建立不同的模型，甚至同樣的數(shù)據(jù)在面臨不同的臨床問(wèn)題時(shí)，也需要建立不同的模型?！?/p>

提到模型準(zhǔn)確性的問(wèn)題，郭天南表示這些模型需要獨(dú)立去驗(yàn)證，比如基于一家醫(yī)院的數(shù)據(jù)建立的模型需要在另外一個(gè)醫(yī)院的患者中進(jìn)行驗(yàn)證。

“06、07 年的時(shí)候，蛋白質(zhì)研究還處于初期階段，基本上很難對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行足夠深度的的研究分析，并且那個(gè)時(shí)候成本特別高，所以基本上不可能產(chǎn)生蛋白質(zhì)組大數(shù)據(jù)、并進(jìn)行人工智能分析和臨床應(yīng)用。而近年來(lái)有了大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，才得以深入研究。”

所以大數(shù)據(jù)對(duì)于蛋白質(zhì)或者其它疾病的研究幫助都非常大，因?yàn)榧膊”揪褪且粋€(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，對(duì)新冠患者來(lái)說(shuō)，同一個(gè)病毒每個(gè)病人的反應(yīng)都不一樣，有輕癥、有重癥、甚至死亡。如果能系統(tǒng)的把這些復(fù)雜的數(shù)據(jù)都收集起來(lái)，然后借助機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)，可以促進(jìn)人們對(duì)疾病更加深刻的理解，也可以激勵(lì)醫(yī)者進(jìn)行更加精準(zhǔn)的診斷和治療。

如今，大數(shù)據(jù)與科學(xué)研究早已密不可分，但對(duì)于醫(yī)學(xué)研究來(lái)說(shuō)，尤其是分子醫(yī)學(xué)，高質(zhì)量的數(shù)據(jù)仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。提到對(duì)醫(yī)療大數(shù)據(jù)的未來(lái)展望，郭天南表示，在確?；颊邆€(gè)人隱私的情況下，，“我希望臨床醫(yī)生能夠和實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家一起采取更多的高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，希望能有一個(gè)機(jī)制讓醫(yī)療健康的大數(shù)據(jù)豐富起來(lái)，這樣更有助于我們對(duì)這些復(fù)雜病例的理解，進(jìn)而為解除廣大患者的病痛做出切實(shí)的貢獻(xiàn)?！?/p>

來(lái)源：麻省理工科技評(píng)論