薛敏 綜述 任新軍 李筱榮 審校
天津醫(yī)科大學(xué)眼科醫(yī)院 天津醫(yī)科大學(xué)眼視光學(xué)院 天津醫(yī)科大學(xué)眼科研究所 天津市視網(wǎng)膜功能與疾病重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津市眼科學(xué)與視覺科學(xué)國際聯(lián)合研究中心 300384
薛敏現(xiàn)在安徽省第二人民醫(yī)院眼科,合肥 230041
高度近視是全世界低視力和致盲眼病的主要原因之一,尤其是在中國和日本等亞洲國家,有著日漸嚴(yán)重的趨勢[1-2]。預(yù)計(jì)到2050年,全球高度近視患者將達(dá)到9.38億人[3],這將造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)負(fù)擔(dān)。高度近視通常是指近視屈光度在-6.00 D以上、眼軸長度>26.5 mm的屈光狀態(tài)。當(dāng)伴有后鞏膜葡萄腫及黃斑區(qū)、脈絡(luò)膜和視網(wǎng)膜退行性病變時(shí)則稱為病理性近視[4]。高度近視的確切發(fā)病機(jī)制尚不明確,仍處于探索階段,目前多數(shù)研究者認(rèn)為遺傳和環(huán)境因素的共同作用可能是主要的致病原因。高度近視的蛋白質(zhì)組學(xué)研究主要是利用功能蛋白質(zhì)組學(xué)的研究方法,通過對(duì)比高度近視與正常人的蛋白質(zhì)表達(dá)差異,從而找出可能對(duì)近視發(fā)生起調(diào)控作用的蛋白質(zhì),以期獲得與高度近視相關(guān)的特異性生物學(xué)標(biāo)志物,從而進(jìn)一步探索病理性近視可能的發(fā)病機(jī)制。本文就近年來蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)在高度近視中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。
Wilkins等[5]首先提出了蛋白質(zhì)組的概念,指由1個(gè)基因組,或1個(gè)細(xì)胞、組織表達(dá)的所有蛋白質(zhì),隨后蛋白質(zhì)組學(xué)的概念被提出。蛋白質(zhì)組學(xué)主要檢測細(xì)胞或組織等不同生物來源樣品在不同生理、病理?xiàng)l件下蛋白質(zhì)的表達(dá),通過對(duì)相關(guān)蛋白質(zhì)分類和鑒定,分析蛋白質(zhì)的功能,研究蛋白質(zhì)表達(dá)水平、翻譯后修飾、蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間相互作用等。這也表明,蛋白質(zhì)組學(xué)研究可以為疾病發(fā)生機(jī)制的研究提供理論依據(jù)和解決途徑[6]。通過對(duì)正常和病理狀態(tài)個(gè)體間的蛋白質(zhì)組進(jìn)行比較,有望發(fā)現(xiàn)某些疾病相關(guān)的特異性蛋白質(zhì),為開發(fā)新的生物治療設(shè)計(jì)分子靶點(diǎn),也可為疾病的診斷提供特異性分子標(biāo)志。
目前,蛋白質(zhì)組學(xué)研究技術(shù)主要依賴傳統(tǒng)蛋白質(zhì)分離技術(shù)、生物質(zhì)譜技術(shù)和生物信息學(xué)技術(shù)[7]。常見的蛋白質(zhì)分離技術(shù)包括雙向凝膠電泳、差異凝膠電泳和液相色譜等;常見的質(zhì)譜技術(shù)有同位素標(biāo)記相對(duì)和絕對(duì)定量技術(shù)(isobaric tags for relative and absolute quantification,iTRAQ)、連續(xù)窗口獲取所有離子片段技術(shù)(sequential windowed acquisition of all theoretical fragment ions,SWATH)和非標(biāo)記定量技術(shù)等;生物信息學(xué)技術(shù)在蛋白質(zhì)組學(xué)研究中的作用包括構(gòu)建和分析雙向凝膠電泳圖譜、數(shù)據(jù)庫的搜索與構(gòu)建以及目標(biāo)蛋白的鎖定等。蛋白質(zhì)組學(xué)研究策略是先獲得待研究樣本總蛋白,通過分離技術(shù)分類蛋白質(zhì),進(jìn)行質(zhì)譜分析,結(jié)合圖譜匹配軟件檢索數(shù)據(jù)庫,初步鑒定蛋白質(zhì)[8]。目前蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)在高度近視方面的研究主要是先通過蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)找出有意義的差異表達(dá)蛋白質(zhì),再擴(kuò)大樣本量,通過酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)、蛋白免疫印跡法分析等進(jìn)行驗(yàn)證,從而確定該蛋白在高度近視中的重要作用,為進(jìn)一步的病因?qū)W探索提供研究基礎(chǔ),是高度近視病因?qū)W研究的又一有效方法。高度近視蛋白質(zhì)組學(xué)研究首先是從動(dòng)物模型開始的,然后逐漸應(yīng)用于臨床。但由于臨床標(biāo)本取材的限制,目前人高度近視蛋白質(zhì)組學(xué)研究主要集中于血液、房水和晶狀體,而其他眼組織相關(guān)研究較少。
自20世紀(jì)70年代以來,研究者們相繼建立了各種近視動(dòng)物模型,為近視發(fā)病機(jī)制的探索提供了眾多前期研究成果,并搭建了良好的研究平臺(tái)。目前研究者們已成功建立了雞、豚鼠、猴、樹鼩和小鼠等常見動(dòng)物近視模型。為了研究雞在光學(xué)離焦誘導(dǎo)的近視早期恢復(fù)過程中視網(wǎng)膜蛋白質(zhì)譜的變化,以探索參與這種屈光障礙調(diào)節(jié)的信號(hào)通路,Zhou等[9]采用二維熒光差異凝膠電泳檢測視網(wǎng)膜中蛋白質(zhì)的表達(dá)。研究結(jié)果表明,與對(duì)照組相比,3個(gè)蛋白點(diǎn)(ras相關(guān)蛋白rab-11b、S-視網(wǎng)膜和松果體抗原、26s蛋白酶體非ATP酶調(diào)控亞基14)在近視恢復(fù)期視網(wǎng)膜中上調(diào)至少1.2倍,揭示了其在眼球重建過程中對(duì)視網(wǎng)膜重塑的潛在作用。Yuan等[10]運(yùn)用iTRAQ技術(shù)分析形覺剝奪性豚鼠近視模型和正常對(duì)照組鞏膜蛋白的表達(dá)變化,結(jié)果發(fā)現(xiàn)近視組有56個(gè)蛋白質(zhì)表達(dá)上調(diào),84個(gè)蛋白質(zhì)表達(dá)下調(diào)。進(jìn)一步的生物信息學(xué)分析表明,這140個(gè)差異表達(dá)蛋白中有44個(gè)參與了細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞組分及其相互調(diào)節(jié)。Zhu等[11]運(yùn)用iTRAQ和SWATH技術(shù)對(duì)比分析豚鼠形覺剝奪性近視發(fā)展和阿托品對(duì)視網(wǎng)膜蛋白質(zhì)譜變化的影響,結(jié)果表明在其中發(fā)現(xiàn)的差異表達(dá)蛋白為近視豚鼠接受阿托品治療中的關(guān)鍵分子。Wu等[12]對(duì)光學(xué)離焦性近視模型豚鼠視網(wǎng)膜蛋白進(jìn)行熒光差異雙向凝膠電泳聯(lián)合質(zhì)譜分析發(fā)現(xiàn),與正常豚鼠相比,21個(gè)蛋白差異點(diǎn)上調(diào),11個(gè)下調(diào),其中β肌動(dòng)蛋白、烯醇化酶1、蘋果酸脫氫酶、Ras相關(guān)蛋白rab11B、蛋白-L異天門冬氨酸(D天門冬氨酸)O-甲基轉(zhuǎn)移酶、PKM2蛋白、X結(jié)合真核翻譯起始因子1A和ACP1蛋白差異點(diǎn)被鑒定出來,糖酵解酶(烯醇化酶1、蘋果酸脫氫酶、PKM2蛋白)的下調(diào)可能表明在近視發(fā)展過程中糖酵解減慢,加速了眼部生長。又有研究顯示烯醇化酶1在近視和近視恢復(fù)期視網(wǎng)膜中的雙向變化強(qiáng)烈提示其參與了近視的發(fā)生,而且神經(jīng)烯醇化酶同工酶與近視常見并發(fā)癥視網(wǎng)膜脫離的嚴(yán)重程度相關(guān)[13-14]。既往研究表明,視網(wǎng)膜上α-、β-和γ-晶狀體蛋白在壓力、強(qiáng)光照射和視網(wǎng)膜牽拉情況下表達(dá)增加[15-17],但晶狀體蛋白在鞏膜中的確切生物學(xué)功能尚不清楚。Zhou等[18]采用雙向凝膠電泳聯(lián)合質(zhì)譜研究豚鼠在形覺剝奪性近視及恢復(fù)過程中后鞏膜蛋白譜的變化,發(fā)現(xiàn)與正常對(duì)照組相比,近視組及近視恢復(fù)組分別有26個(gè)和33個(gè)蛋白差異點(diǎn);近視組和近視恢復(fù)組相比有5個(gè)蛋白差異點(diǎn),其中晶狀體蛋白差異較突出。近視組在mRNA和蛋白質(zhì)水平上均表現(xiàn)為βB2-晶狀體蛋白表達(dá)水平下調(diào),βA4-晶狀體蛋白表達(dá)水平上調(diào)。βA3/A1-晶狀體蛋白在近視組mRNA和蛋白質(zhì)水平上表達(dá)趨勢也是一致的。然而,恢復(fù)組αA-、βA3/A1-、βA4-、βB2-晶狀體蛋白在mRNA表達(dá)水平及蛋白質(zhì)表達(dá)水平上卻不一致。結(jié)合Morgan等[19]和Ashby等[20]的雞形覺剝奪性近視和恢復(fù)模型中αB-晶狀體蛋白在mRNA水平上表達(dá)均升高的研究結(jié)果,Zhou等[18]認(rèn)為晶狀體蛋白在形覺剝奪性近視及恢復(fù)過程中發(fā)生了變化,晶狀體蛋白水平的變化與形覺剝奪性近視發(fā)育階段mRNA水平的變化一致,然而在恢復(fù)階段晶狀體蛋白水平與mRNA水平并不匹配。這可能是由于mRNA的變化是蛋白質(zhì)變化的前奏,只有在恢復(fù)4 d后才會(huì)表現(xiàn)出來或者才能檢測到蛋白質(zhì)的變化。
血液中的蛋白質(zhì)持續(xù)變化,機(jī)體有很多病理變化都體現(xiàn)在血液蛋白質(zhì)的微量變化中,而且血液相對(duì)易于獲取,因此,其在蛋白質(zhì)組學(xué)研究方面得到廣泛應(yīng)用[21]。血液蛋白質(zhì)組學(xué)的主要目標(biāo)是對(duì)低豐度蛋白進(jìn)行檢測,低豐度蛋白來源于組織蛋白釋放、細(xì)胞死亡或破壞、腫瘤細(xì)胞的異常分泌,與疾病有很大相關(guān)性[22]。隨著蛋白質(zhì)譜技術(shù)的快速發(fā)展,許多研究者通過分析血液中差異表達(dá)蛋白,試圖尋找與高度近視相關(guān)的生物學(xué)標(biāo)志物,不斷有新的高度近視血清差異蛋白被發(fā)現(xiàn)。邵珺等[23]應(yīng)用蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)觀察轉(zhuǎn)甲狀腺素蛋白(transthyretin,TTR)在高度近視患者血清及玻璃體中的異常表達(dá),結(jié)果發(fā)現(xiàn)TTR在高度近視患者血清和玻璃體中表達(dá)較正常組明顯增加,且與高度近視眼底表現(xiàn)相關(guān)。邵珺等[24]又通過對(duì)30例病理性近視患者和30例正常人血清用毛細(xì)管高效液相色譜聯(lián)合質(zhì)譜法分析發(fā)現(xiàn)4種表達(dá)明顯增加的差異蛋白質(zhì),即TTR、結(jié)合珠蛋白(haptoglobin,HP)、血清結(jié)合素(hemopexin,HPX)和載脂蛋白(apolipoprotein,APO)B-100,并且這4種差異蛋白質(zhì)間具有明顯的相關(guān)性,推測TTR含量升高可能反映視網(wǎng)膜色素上皮的損害程度,HP含量升高可能反映病理性近視眼發(fā)生過程中的炎癥及免疫反應(yīng)程度,HPX可能與基質(zhì)金屬蛋白酶調(diào)節(jié)相關(guān)。尚未見APO B-100與病理性近視相關(guān)報(bào)道。此研究未能明確這4種差異蛋白質(zhì)間的相互作用關(guān)系,但是可表明它們升高的一致性,這些相關(guān)的功能蛋白有可能成為篩選病理性近視的特異性分子標(biāo)志物。Kearney等[25]應(yīng)用液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法測定近視及正視大學(xué)生9—10月和3—4月2個(gè)時(shí)間段晨起血漿中的褪黑素和多巴胺含量,發(fā)現(xiàn)近視程度與晨起血漿中的褪黑素濃度呈正相關(guān),與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果[26]一致,而僅在3—4月這個(gè)時(shí)間段中表現(xiàn)為多巴胺濃度降低,推測也許在多巴胺分泌高峰的中午比在清晨采血更容易獲得定量結(jié)果。多巴胺作為抑制眼軸生長的信號(hào)分子,通過D1和D2受體發(fā)揮抑制近視的作用,多巴胺相關(guān)藥物可能成為治療近視的新方法,但其具體作用機(jī)制尚不明確[26]。以上研究結(jié)果為進(jìn)一步研究神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)和生物節(jié)律在屈光不正的發(fā)生和控制中的作用提供了依據(jù)。
白內(nèi)障是高度近視的一種常見并發(fā)癥。高度近視并發(fā)白內(nèi)障發(fā)病年齡早,核硬度高且黏度大,與單純年齡相關(guān)性白內(nèi)障有明顯區(qū)別[27]。早期的研究發(fā)現(xiàn),白內(nèi)障的形成與晶狀體上皮細(xì)胞凋亡、機(jī)體對(duì)晶狀體蛋白的體液免疫等有關(guān)[28-30]。目前的研究顯示,晶狀體的混濁主要源于晶狀體蛋白的翻譯后修飾改變[31]。正常年輕人晶狀體組織中主要含有αA-、αB-、βA1-、βA3-、βA4-、βB1-、βB2-、βB3-、γC-、γD-、γS-晶狀體蛋白等。隨著年齡的增加,位于晶狀體蛋白相對(duì)分子質(zhì)量范圍內(nèi)的蛋白種類增多,而位于相對(duì)分子質(zhì)量50 000以上高分子區(qū)的散在蛋白減少。Lin等[32]對(duì)不同年齡段的正常人晶狀體αA-晶狀體蛋白進(jìn)行質(zhì)譜分析,發(fā)現(xiàn)乙?;饔酶淖兞说鞍踪|(zhì)結(jié)構(gòu),影響分子間相互作用,致使α-晶狀體蛋白分子伴侶活性下降。施健等[33]采用雙向凝膠電泳-基質(zhì)輔助激光解吸離子化飛行時(shí)間質(zhì)譜鑒定3例病理性近視晶狀體核與2例透明晶狀體供體蛋白質(zhì)譜的差異,共發(fā)現(xiàn)9種蛋白質(zhì),分別為αA-、αB-、βA3-、βA4-、βB1-、βB2-晶狀體蛋白以及人晶狀體蛋白γD-A鏈、被截?cái)嗟娜司铙w結(jié)構(gòu)蛋白βB1-A鏈和人晶狀體蛋白γ-δ碎片,其中αA-、αB-晶狀體蛋白和晶狀體結(jié)構(gòu)蛋白βB1-A鏈在病理性近視并發(fā)白內(nèi)障晶狀體中含量減少,其余均增加,推測病理性近視并發(fā)白內(nèi)障的形成可能主要與分子伴侶α-晶狀體蛋白含量降低及βB2-晶狀體蛋白成分異常增多有關(guān)。Yang等[34]對(duì)高度近視白內(nèi)障、年齡相關(guān)性白內(nèi)障、高度近視未合并白內(nèi)障及正常透明晶狀體前囊膜及其附著的上皮細(xì)胞進(jìn)行α-晶狀體蛋白及未折疊蛋白反應(yīng)(unfolded protein reaction,UPR)相關(guān)GRP78、spliced-XBP1、ATF4和ATF6等對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)高度近視白內(nèi)障αA-和αB-晶狀體蛋白表達(dá)降低,結(jié)果表明高度近視白內(nèi)障患者可溶性α-晶狀體蛋白的丟失和UPR的活化可能與高度近視白內(nèi)障的病因有關(guān),但其中哪個(gè)是觸發(fā)機(jī)制及其相互作用方式仍不清楚。多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)能較好地分離鑒定人眼晶狀體蛋白質(zhì),致力于更多微量蛋白質(zhì)的發(fā)現(xiàn)、鑒定和驗(yàn)證、蛋白質(zhì)翻譯后修飾以及功能改變等研究。
房水是充滿眼前后房的一種透明液體[35-36],屬于組織液的一種。房水負(fù)責(zé)為眼內(nèi)重要結(jié)構(gòu)提供營養(yǎng)并帶走組織中的代謝廢物,它還涉及到對(duì)入侵病原體的免疫反應(yīng)及運(yùn)送抗壞血酸至眼前節(jié)發(fā)揮抗氧化作用[37]。房水的主要成分是有機(jī)物和無機(jī)離子,包括碳水化合物(葡萄糖)、尿素和蛋白質(zhì)、氧、二氧化碳和水[38]。房水不僅可以提供合成晶狀體蛋白所需的氨基酸,還含有重要的抗氧化劑(如谷胱甘肽、抗壞血酸)和防御分子(如免疫球蛋白等)[39-40]?;诜克难h(huán)和可再生性,以及較其他眼組織更易獲取等特點(diǎn),人房水蛋白質(zhì)組學(xué)研究已取得了一定的成果。薛敏等[41]應(yīng)用非標(biāo)記定量蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)對(duì)高度近視白內(nèi)障患者和單純年齡相關(guān)性白內(nèi)障患者的房水蛋白進(jìn)行差異分析得到86個(gè)差異表達(dá)蛋白,包括49個(gè)上調(diào)蛋白和37個(gè)下調(diào)蛋白。這些差異表達(dá)蛋白的分類主要包括蛋白結(jié)合活性調(diào)節(jié)因子、細(xì)胞外基質(zhì)蛋白、載體蛋白、細(xì)胞間信號(hào)分子、蛋白質(zhì)修飾酶等。生物信息學(xué)分析表明,86個(gè)差異表達(dá)蛋白主要富集在補(bǔ)體激活及其調(diào)節(jié)、急性炎癥反應(yīng)、細(xì)胞外基質(zhì)組織重塑等生物學(xué)過程,其中21個(gè)差異表達(dá)蛋白富集于補(bǔ)體和凝血級(jí)聯(lián)通路,15個(gè)差異表達(dá)蛋白富集于細(xì)胞外基質(zhì)-受體相互作用通路,8個(gè)差異表達(dá)蛋白富集于PI3K-Akt信號(hào)通路。Xiang等[42]采用iTRAQ技術(shù)檢測高度近視、青光眼、糖尿病患者和正常人的白內(nèi)障相關(guān)房水差異蛋白,結(jié)果顯示高度近視白內(nèi)障和正常人白內(nèi)障有146種差異表達(dá)的蛋白質(zhì),其中包括49種下調(diào)蛋白和97種上調(diào)蛋白,下調(diào)最顯著的是磷脂轉(zhuǎn)運(yùn)ATP酶IK以及2種角蛋白。這2種角蛋白為Ⅱ型細(xì)胞骨架2和Ⅰ型細(xì)胞骨架10,它們是各種角質(zhì)形成細(xì)胞分化途徑的標(biāo)志[43]。在高度近視患者中上調(diào)蛋白包括6種晶狀體系蛋白,即α-晶狀體蛋白B鏈、β-晶狀體蛋白A4、α-晶狀體蛋白A鏈、β-晶狀體蛋白B1、β-晶狀體蛋白B2和β-晶狀體蛋白A3,它們被認(rèn)為對(duì)維持晶狀體的清晰度和屈光度至關(guān)重要,并與白內(nèi)障的形成有關(guān)[44]。另外還有4種角蛋白,即Ⅱ型細(xì)胞骨架6B、Ⅱ型細(xì)胞骨架6A、Ⅰ型細(xì)胞骨架14和Ⅰ型細(xì)胞骨架16在高度近視房水中表達(dá)量均明顯升高。Xue等[45]采用非標(biāo)記定量蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)檢測20例病理性近視合并年齡相關(guān)性白內(nèi)障患者和20例單純年齡相關(guān)性白內(nèi)障患者房水,結(jié)果定量出101個(gè)差異表達(dá)蛋白,包括63個(gè)上調(diào)蛋白和38個(gè)下調(diào)蛋白。這些差異表達(dá)蛋白的分類主要包括蛋白結(jié)合活性調(diào)節(jié)因子、防御/免疫蛋白、蛋白質(zhì)修飾酶、代謝物間轉(zhuǎn)換酶、細(xì)胞外基質(zhì)蛋白等。通過非標(biāo)記定量蛋白質(zhì)組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)病理性近視組較對(duì)照組房水蛋白質(zhì)表達(dá)譜發(fā)生了顯著變化,生物信息學(xué)分析表明免疫和炎癥的相互作用以及細(xì)胞外基質(zhì)重塑在病理性近視的發(fā)病機(jī)制中起著重要作用,其中ApoA1可能是病理性近視的一個(gè)關(guān)鍵蛋白和潛在治療靶點(diǎn)。這些發(fā)現(xiàn)為研究病理性近視的分子機(jī)制和開發(fā)治療病理性近視的新方法提供了潛在線索,特別是與免疫和炎癥相互作用有關(guān)的方向。蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)在高度近視房水研究方面雖取得了一定的成果,但多個(gè)研究得出的差異蛋白種類繁多且分布范圍廣,其具體作用機(jī)制仍有待進(jìn)一步研究。
脈絡(luò)膜新生血管(choroidal neovascularization,CNV)是高度近視常見并發(fā)癥之一,嚴(yán)重影響患者視功能。目前抗血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)治療已成為高度近視CNV的一線治療方法,但仍有部分高度近視CNV患者療效并不理想,表現(xiàn)為對(duì)VEGF拮抗劑不應(yīng)答,黃斑區(qū)CNV復(fù)發(fā)或持續(xù)不消退,具體機(jī)制尚不明確。因此,越來越多的研究者希望通過蛋白質(zhì)組學(xué)探索高度近視發(fā)病機(jī)制及抗VEGF治療新的作用靶點(diǎn)。目前,蛋白質(zhì)組學(xué)研究已發(fā)現(xiàn)了一些可能與高度近視相關(guān)的功能學(xué)蛋白,為開發(fā)具有治療價(jià)值的特異性分子藥物提供了重要依據(jù)。然而,蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)存在一定的局限性,差異蛋白的鑒定結(jié)果在很大程度上受到標(biāo)本質(zhì)量和實(shí)驗(yàn)條件的限制。隨著醫(yī)學(xué)與實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷進(jìn)步,將會(huì)有更多高度近視相關(guān)的特異性蛋白被發(fā)現(xiàn),為研究高度近視的分子機(jī)制和開發(fā)具有治療價(jià)值的特異性分子藥物提供理論依據(jù)。
利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突