撰文 | 易

α1-抗胰蛋白酶缺乏癥（AATD）是一種常染色體顯性遺傳疾病，由SERPINA1基因突變導致α1-抗胰蛋白酶（AAT）錯誤折疊并在肝細胞內質網中異常積聚。這種蛋白質穩態失衡不僅引發肝細胞特異性損傷，還與多種疾病相關，包括肺氣腫和肝纖維化。盡管所有患者都攜帶相同的Z突變（Pi*ZZ基因型），臨床表現卻存在顯著差異：約30-40%的患者會發展為嚴重肝纖維化或肝硬化，而其他患者則終身保持相對穩定的肝功能。這種臨床異質性暗示著存在尚未闡明的分子調控網絡和環境因素相互作用。然而，傳統的bulk蛋白質組學雖然能夠鑒定疾病相關蛋白表達變化，但無法揭示組織微環境中不同細胞亞群對病理刺激的異質性響應。

近日，德國馬克斯·普朗克生物化學研究所Matthias Mann和Florian A. Rosenberger在Nature期刊上發表題為Deep Visual Proteomics maps proteotoxicity in a genetic liver disease的研究論文，采用的深度視覺蛋白質組學（DVP）技術，通過整合人工智能驅動的細胞形態識別、激光捕獲顯微切割和超高靈敏度質譜，首次實現了在完整組織背景下對單個肝細胞的蛋白質組進行深度解析。這種技術組合不僅能精確定位α1-抗胰蛋白酶（AAT）積聚的空間分布特征，還可以追蹤蛋白質毒性應激的動態演變過程，為理解AATD的分子病理機制提供了前所未有的分辨率。

作者收集了34例Pi*ZZ基因型AATD患者的FFPE肝活檢及移植樣本，涵蓋所有纖維化階段（F0-F4）。通過H&E染色和卷積神經網絡（ConvNeXt）對肝細胞進行AI驅動的形態分類，將其分為低、中、高AAT負載組。不同負載組之間，蛋白質組差異顯著（17.4%的蛋白在FDR<5%水平差異表達）。最突出的變化是內質網相關蛋白的異常表達：ER伴侶蛋白HSPA5表達量增加1.6倍，ER-高爾基體轉運受體LMAN1升高2.9倍。值得注意的是，UPR通路的三個主要分支（ATF6、PERK和IRE1）呈現時間依賴性激活模式。早期響應以過氧化物酶體增殖（PEX11B上調）和氧化應激防御系統（硫氧還蛋白家族）激活為主；而晚期則以凋亡相關蛋白（如TNFSF10）的顯著上調為特征。這種時序性調控提示肝細胞試圖通過階段性的代償機制來應對持續的蛋白質毒性壓力，揭示了AAT積累引發的多層次應激響應。

單細胞空間蛋白質組分析發現，AAT陽性細胞與相鄰陰性細胞之間存在顯著的蛋白質組差異（p<0.001），但相同狀態的相鄰細胞間蛋白質組高度相似（相關系數>0.95）。這種“全或無”式的響應模式表明蛋白質毒性應激主要依賴于細胞自主機制，而非通過旁分泌信號傳遞。進一步分析顯示，AAT積累的空間分布與經典的肝小葉分區無關（中央靜脈和門靜脈區域的標志物表達無顯著差異），這顛覆了既往認為AAT積聚主要發生在門靜脈周圍區域的假說。

通過卷積神經網絡對AAT聚集形態的量化分析，作者鑒定出兩種特征性亞型：無定形聚集和球狀聚集。蛋白質組特征顯示，前者與活躍的UPR響應（高表達ERO1A和Calreticulin）相關，后者則與終末凋亡表型（高表達TNFSF10和CRP）密切相關。值得注意的是，在球狀聚集細胞中發現EGFL7的異常高表達（較對照組增加4.2倍），已知該蛋白在肝細胞癌中促進血管生成和腫瘤轉移。偽時間分析進一步揭示，AAT積累遵循“代償-失代償-凋亡”的三階段模式：早期以過氧化物酶體增殖為特征，中期出現ER擴張和UPR激活，晚期則表現為球狀AAT聚集伴凋亡標志物表達。這種分子分期為臨床預后評估提供了潛在的生物標志物體系。

綜上所述，本研究通過空間蛋白質組學與AI驅動的單細胞分析，揭示了α1-抗胰蛋白酶缺乏癥（AATD）中過氧化物酶體早期激活和細胞自主性蛋白積累的關鍵機制，并發現TNFSF10升高與晚期病理聚集體相關，為臨床干預提供了新靶點。本研究不僅為AATD發病機制提供了新見解，更同時建立了一套用于復雜組織原位高分辨率蛋白質組分析的強大方法學體系，有望揭示多種蛋白質錯誤折疊疾病的分子機制，為在人類組織單細胞水平理解疾病進展樹立了新標準。

https://doi.org/10.1038/s41586-025-08885-4

制版人： 十一

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