外泌体转录组（外泌体转录组学分析）

本文目录一览：

• 1、外泌体多组学02-体液来源外泌体的组织和细胞类型溯源
• 2、“基因组”“蛋白组”“转录组”“代谢组”的异同？
• 3、特发性婴儿动脉钙化的基因治疗模拟
• 4、轻奢贵族干细胞外泌体抗衰怎么回事？
• 5、多组学高分文献6-可治性前列腺癌的蛋白质组学表型图谱

外泌体多组学02-体液来源外泌体的组织和细胞类型溯源

外泌体(30~150nm大小)是活细胞分泌的最小类型的细胞外囊泡(为30~1000nm)，通过所有体液的循环系统，如血液、尿液和眼泪，作为细胞间的信使。体液外泌体的来源混杂，可以是任何组织和细胞分泌的外泌体然后经体液循环进入。

其中，尿外泌体可以反映病理生理学，并为肾相关功能障碍提供生物学理解，是泌尿系统癌症很有前途的生物标志物来源。

尿外泌体和泌尿/非泌尿器官或细胞之间的遗传网络仍不清楚，本文旨在对尿外泌体bulk RNA-Seq数据进行组织和细胞类型溯源，为外泌体应用于疾病诊断和治疗提供重要理论依据。

本次介绍的文献信息如下：

在我们的体液中，纳米级细胞外囊泡的遗传起源尚不清楚。在这里，我们通过RNA测序对尿外泌体进行了跟踪分析，发现尿外泌体主要表达膀胱的组织特异性基因，并与内皮细胞、基底细胞、单核细胞和树突状细胞有密切的细胞遗传关系。对癌症的差异表达基因进行追踪和相应的富集分析显示，尿外泌体密切参与免疫活动，这表明它们可以作为癌症基因组诊断和精确医学中非侵入性液体活检的可靠生物标志物。

数据情况：

ssGSEA：观察到肾和胃的TSG在膀胱癌和对照样本中有差异表达(图1B)；相比之下，膀胱、肺、脑和肝脏的TSG在肾癌样本及其对照组中存在差异表达Fig. 1C。

细胞类型signature matrix：

来自于 HCL，human cell landscape (HCL, )的单细胞数据和markers，主要包括肾脏的16种细胞类型与膀胱的16种细胞类型

CIBERSORT：构建了一个细胞类型矩阵，并研究了外泌体的细胞水平来源(Fig. 1D)：

bulk RNA-seq分析通常通过识别DEGs来比较不同条件下的转录本丰度。当整个组织的RNA-seq(bulk RNA-seq)完成时，确定基因表达的变化 在多大程度上是由于细胞类型比例的变化 通常是一个挑战。而这一挑战可以通过单细胞RNA-seq(scRNA-seq)方法来解决。bulk RNA-seq通过去卷积分析，可以估计细胞类型比例的变化。

下面这张图展示了 细胞类型的特异性和细胞类型的比例如何导致基因差异表达(DEG) ：

在上图中，形状表示细胞类型，每个形状的数量表示相对的细胞类型比例。颜色代差异分组。点代表每个细胞内基因表达水平。

使用了一个工具scMappR：分配贡献DEG的细胞类型，并确定了cwFoldChange最高的细胞类型

肾癌标志物中的S100A10和CCAR1，膀胱癌标志物中的CD248和MT-ATP已被证明在尿癌中具有促进肿瘤的功能

意外发现：DDX17的表达水平呈明显的变化趋势：肌肉浸润性膀胱癌 非肌肉浸润性膀胱癌 DDX17表达，这可能是由于人类RNA解旋酶DDX17通过调节几种DNA和染色质结合因子的选择性剪接来促进肿瘤细胞的侵袭性

各组的基因组合可以提高肿瘤样本与相关良性疾病样本的准确性，对这两种尿路癌的早期诊断具有指导意义

主要结果：

研究意义：

文献中使用的软件 scMappR 利用单细胞数据构建signature matrix来对bulk RNA-Seq进行去卷积分析，我们下期介绍~~~

“基因组”“蛋白组”“转录组”“代谢组”的异同？

基因组：以生物体所有的核酸为研究对象，狭义的基因组定义为生命体的全套DNA，广义的基因组则包含DNA、mRNA、lncRNA等参与到基因表达调控的所有核酸序列。其主要研究手段为基因测序，以华大基因为代表。转录组通常可认为是基因组的简化研究手段，即所有转录本的集合。

蛋白组：生物体基因组所编码的全套蛋白质。鉴于蛋白质表达的时空特异性，各组织器官或者特定亚细胞结构器（如线粒体、叶绿体），甚至是外泌蛋白，也可以成为一个蛋白组。所以蛋白质组是信号转导、分子发育最为直接的手段。其主要研究手段为生物质谱，在国内以牟合蛋白为典型。

代谢组：生物体内源性代谢物质的动态整体，通常只涉及相对分子质量约小于1000的小分子代谢物质。因其与蛋白质组一样可以很好的指针细胞、机体的生命活动状态，所以常常被用作临床生物标志物的筛选。目前，代谢组的研究也只能借助生物质谱完成。

下面这幅图能够很好的呈现基因、代谢、生命活动间的关系:

Figure. Genomic-Proteomic-Phenotype

特发性婴儿动脉钙化的基因治疗模拟

研究背景

特发性婴儿动脉钙化（IIAC）是一种罕见的常染色体隐性疾病，此种遗传病父母双方均为致病基因携带者，血缘关系会增加患该疾病的风险。到目前为止世界约报到了约二百多例患者，集中在产前诊断和新生儿期诊断。

特征：主动脉、冠状动脉和肾动脉钙化。心肌肥大和冠状动脉弯曲。镜下可见中、大动脉内弹性板内弥漫性羟基磷灰石沉积，并伴有肌内膜增生和狭窄。

80%的病例发现外核苷酸焦磷酸酶/磷酸二酯酶1（ENPP1）基因功能缺失突变。

病因

ENPPl 基因产物为外部核苷酸焦磷酸酶／磷酸二酯酶，该酶使血管平滑肌细胞、软骨细胞及成骨细胞产生无机焦磷酸(PPi)。PPi 有许多生物活性，包括调节血管平滑肌细胞分化和抑制软组织钙化。

ENPPl 基因突变可以导致 PPi 水平下降，产生羟磷灰石结晶，沉积在动脉的各个部位，包括主动脉、冠状动脉、心脏瓣膜、肾动脉等，并引起血管病变，最终导致 IACI

危害

其大多数患者在生命的头6个月内死亡，少数可致成年。多是由于心肌缺血、心脏衰竭死亡。

研究进展

诊断检查：凡患有新生儿持续性肺动脉高压，严重全身性高血压和回声血管的新生儿，均应考虑婴儿的特发性动脉钙化。重要的诊断发现是钙化的大中型动脉，包括主动脉，冠状动脉，肺、肾和肾内动脉。胸部和腹部X线和CT上发现动脉壁钙化作为诊断依据。

治疗方法：没有明确的治疗方法。目前仅对症状治疗，如必要的高血压治疗。一些报告指出，使用双膦酸盐（最常用的是依替膦酸盐）似乎可以提高生存率。

基因治疗背景

基因疗法：基因治疗（Gene Therapy）是指将外源基因导入靶细胞，以纠正或补偿因基因缺陷或基因表达异常引起的疾病。

技术：CRISPR/Cas9等基因编辑

载体：病毒载体（AAV、LV），非病毒载体（脂质体、纳米粒）

技术路线

1、体液候选核酸筛查：a.全基因测序； b  血小板转录组测序；c  血液外泌体转录组测序；d  尿液外泌体转录组测序。

2、算法筛选并验证基因靶点： a.算法分析出候选的靶点； b . RT-PCR在样本外泌体中验证该靶基因的变化；c.ELISA样本外泌体中 验证该靶蛋白的变化。

3、开发现场筛查的方法：a  实验室检测LAMP/RPA对该基因靶点的检测灵敏度及特异性；b  芯纸/芯桶中检测到该靶点基因的灵敏度及特异性。

4、真实世界研究人群筛查该疾病的发生率。

轻奢贵族干细胞外泌体抗衰怎么回事？

可以说，干细胞近年来一直是生物医学领域关注的焦点，在改善人类疾病、延缓衰老和组织再生方面具有巨大潜力。仔细观察会发现，在很多关于干细胞研究进展的报道中，经常会出现一个数字，那就是外泌体。

1. 什么是外泌体？

1983年，外泌体首次在绵羊网织红细胞中被发现，约翰斯通于1987年将其命名为“外泌体”。在其发现之初，这种物质已被视为细胞废物。现在，外泌体作为细胞间通讯载体的作用已被科学界普遍接受。

外泌体是直径为40-100 nm 的微小囊泡，可以将脂质、碳水化合物、蛋白质、mRNA、miRNA 和DNA 等生物分子从一个细胞转移到另一个细胞，从而交换遗传信息并重新编程相互通信的宿主细胞. 细胞。

2.生物界的邮递员

人体内各种细胞在正常和病理条件下都能分泌外泌体，包括干细胞、免疫细胞、内皮细胞、血小板和平滑肌细胞。

外泌体包裹在坚硬的双层膜中。双层膜保护外泌体的内容物，允许外泌体在组织中移动很远的距离。由于干细胞外泌体在上皮组织的增殖、迁移、再生、炎症和疤痕控制中的作用，它们有望成为“无细胞细胞治疗”工具。

干细胞来源的外泌体可用于通过囊泡将干细胞精华，如——mRNA、miRNA、IncRNA 和蛋白质等转运出干细胞。通过“细胞间路”“快递”到人体各个组织。

三、干细胞外泌体与干细胞的区别

与干细胞不同：干细胞外泌体对受损的微环境没有反应，但可以通过改变细胞外基质和受体细胞的转录组和蛋白质组来调节细胞凋亡、生长、增殖和细胞分化。

因此，干细胞外泌体具有减少细胞凋亡、减轻炎症、促进血管生成、抑制纤维化、增强组织修复潜能等重要生物学功能，在调节组织再生方面具有良好的临床应用前景。

4. 干细胞外泌体的优势

1. 体积小

纳米粒子大约是细胞大小的1/200，可以穿透一般毛细血管的细胞间隙到达目标，因此可以很好地被人体利用。

2.免疫反应程度低

外泌体不是细胞，只是作为载体，外膜表面抗原较少，免疫系统难以识别，对人体影响不大。

3. 穿透血脑屏障

外脂质膜的小尺寸和特性使其能够穿过血脑屏障并到达脑组织。

5. 干细胞外泌体显示出前景

1.皮肤修复和抗衰老。

研究发现，干细胞外泌体可以使皮肤再生并加强皮肤屏障，具有极佳的抗炎和再生作用，并且没有其他副作用。干细胞外泌体可成为治疗银屑病、特应性皮炎等全身性炎症性皮肤病的有效、安全、可靠的治疗方法。

2. 组织损伤的修复

如今，干细胞外泌体已在多种不同类型的疾病中显示出令人鼓舞的治疗效果，包括肾损伤、心脏损伤、脑损伤、肝和肺损伤等。主要机制可能是外泌体介导了MSC的旁分泌/自分泌机制。

也有研究结果表明，干细胞外泌体可以直接促进血管生成，改善缺氧后的脑损伤。因此，干细胞外泌体可用于中风治疗，改善神经预后，增加血管和神经发生。

3. 免疫调节功能

干细胞外泌体对多种类型的免疫细胞具有免疫调节作用，包括树突细胞、T细胞、B细胞和巨噬细胞。

多组学高分文献6-可治性前列腺癌的蛋白质组学表型图谱

期刊：Cancer Cell；影响因子：26.602

发表单位：多伦多大学等 

    对肿瘤组织进行多级分析可以改善生物标志物的性能。来自多伦多大学和加州大学洛杉矶分校等的科学家创建了有史以来第一个中度风险的前列腺癌的完整蛋白质组学图谱资源，研究于2019年3月发表在《Cancer Cell》上。通过结合基因组、表观基因组、转录组学和蛋白质组学，研究人员表征了76例前列腺癌患者的肿瘤景观，并提供了一系列有关其癌症完整生物学的重要见解，包括：

（1）建立前列腺癌的基因组亚型的发现集中在五种蛋白质组学亚型上，它们本身与临床结果有关。

（2）发现ETS融合基因是前列腺肿瘤中最常见的突变，它以明显不同的方式干扰蛋白质组和转录组，特别是影响代谢途径。

（3）RNA丰度的发现仅解释了前列腺癌蛋白质水平变异的10％，但存在广泛的反式效应网络，这些网络会聚在特定的功能途径上。

（4）包含基因组和蛋白质组学特征的生物标志物的发现明显优于仅包含任一分子特征的生物标志物。

    一旦得到验证，该资源可能通过为医生和研究人员提供更精确的生物标记物来更有效地对患者进行分层，从而有助于改善局部前列腺癌患者的治疗。作者建议，前列腺癌蛋白质组受到基因组、表观基因组、转录组和转录后失调的复杂相互作用的影响，沿中心法则进行数据集成不仅可以提供更深的生物学见解，而且可以开发性能更强的多组份生物标志物。

    基因组测序已鉴定出导致前列腺癌侵袭性的复发性突变，然而基因组、表观基因组和转录组失调对肿瘤蛋白质组的影响仍然知之甚少。本研究分析了76个局限性、中度风险的前列腺癌的基因组、表观基因组、转录组和蛋白质组。研究发现前列腺癌的基因组亚型集中在五种蛋白质组亚型上，具有不同的临床轨迹。ETS融合是前列腺肿瘤中最常见的变化，会影响蛋白质组和转录组中的不同基因和途径。整体上，mRNA丰度变化仅解释了蛋白质丰度变异性的约10％。将基因组或表观基因组特征与蛋白质组学特征相结合的预后生物标志物明显优于由单一数据类型组成的生物标志物。

局部前列腺癌的综合蛋白质组学分析；

整合中枢信条的各个层次（DNA→RNA→蛋白质）；

ETS融合对转录组和蛋白质组的影响不同；

结合基因组学和蛋白质组学可以提高生物标志物的性能。

    研究收集了76例临床患者，包括散发性、局限性和初治性中度前列腺癌，进行拷贝数畸变微阵列（CNA）、全基因组测序、甲基化的表观修饰、组蛋白H3K27Ac ChIP-Seq评估顺式调控元件、RNA-Seq和质谱分别对转录组和蛋白组的定量。为了解原发性局部前列腺癌的整体蛋白质组学模式，进行亚型分析确定了四类蛋白质簇（即P1、P2、P3和P4）和五类患者（即C1、C2、C3、C4和C5）亚组。蛋白质簇P1和P3富含免疫相关基因的产物，P2和P4中未检测到明显富集的途径。患者亚组C2和C3与生化复发率有关。基因组改变百分比（PGA）是侵略性疾病的生物标志物，与421种蛋白质丰度相关，包括参与Wnt信号传导的蛋白质FZD7和去泛素酶USP11。肿瘤大小与8种蛋白质相关，而侵袭性导管内癌/筛状结构亚病理的存在与7种蛋白质相关。

    对蛋白质组的最强影响之一是ETS基因融合体，这是前列腺癌中最常见的体细胞畸变。作者期望利用多种组学汇聚的方法，研究ETS融合基因在各个组学层面的影响变化。作者研究了与ETS基因融合状态显著相关的245个mRNA和68个蛋白，总体变化具有很好的相关性。对于某些单个基因，mRNA和蛋白质丰度差异很大。扩展到了甲基化水平分析组蛋白状态（H3K27Ac）和拷贝数变异，仅单基因ARHGDIB在蛋白质、mRNA、甲基化和乙酰化水平上与ETS基因融合相关。630个基因显示出与ETS基因融合相关的甲基化差异，124个基因显示出H3K27乙酰化差异。这些相互作用不能完全解释与ETS相关的蛋白质和mRNA之间的适度重叠，强调了转录组后调控因子的重要性。

    为了解RNA和蛋白质功能推断的相似性，作者分别在CNA、甲基化、H3K27Ac，RNA丰度和蛋白质丰度水平上对ETS融合相关基因进行途径分析，多种基因组机制可以将ETS相关的转录组与ETS相关的蛋白质组区分开。包括与羧酸代谢相关的基因在mRNA、蛋白质和甲基化水平上富集，证实了ERG融合与脂质代谢之间的联系。与ETS基因融合体相关的mRNA和蛋白质富集了与细胞内和细胞外囊泡相关的基因。mRNA水平上，细胞迁移、肌动蛋白结合和磷脂结合的富集，而蛋白质水平上溶酶体更丰富。

    前列腺癌是由拷贝数变异（CNA）而非单核苷酸变体驱动的肿瘤。CNA调控mRNA和蛋白质丰度的分析中，顺式和反式作用均显示RNA比蛋白质对CNA更相关。具有较大反式作用的基因包括CMAS（一种免疫相关基因）、ATAD1（一种与ATPase活性有关的基因）和MINPP1（一种已知与癌症有关的基因），它们在CNA和RNA水平上均与不良预后相关。并非所有基因都以相同的频率受CNA反式影响，突显了特定体细胞突变与随后的转录组和蛋白质组失调之间的相互联系。

    作者计算了前列腺癌研究中五类分子数据之间的相互信息（MI），以量化从癌症基因组到蛋白质组的复杂信息流。CNA、甲基化状态与蛋白质的结合比与mRNA丰度的结合更为紧密。跨基因组区域的最高互信息位于H3K27Ac和RNA之间，而最低值介于CNA和甲基化之间，这可能表明表观基因组特征起着重要作用。为了确定生物分子对之间的调节关系是否可以区分基因的特定功能组，作者还通过共识聚类并确定了六个亚组。MI6亚组的特征在于具有较高CNA-H3K27Ac、CNA蛋白、CNA-RNA和CNA-甲基化关联的基因，并且富含与细胞对应激反应相关的基因，表明调控网络紧密。MI1带有具有强H3K27Ac-蛋白质、RNA-蛋白质和甲基化-蛋白质关联的基因，富含细胞外外泌体。关注前列腺癌中的已知癌症相关基因时，TGM2和AKT1的甲基化和蛋白质丰度之间检测到强烈的关联，NDRG3和PTEN的CNA均显示相对较高的百分比差异，KLK3 通常和RNA、蛋白质丰度或甲基化单变量相关。这些数据提供了信息从遗传、体细胞基因组、表观基因组和转录组流向蛋白质组的复杂方式的详细图谱。

    最后，为了评估蛋白质组学分析原发性前列腺肿瘤的潜在临床重要性，作者量化了具有明确治疗意义的局部治疗后每个基因与疾病复发的关联。将时间用于生化复发（BCR）作为结果，这反映了血清PSA水平的升高，这可能会触发挽救疗法的实施。使用Cox比例风险模型，评估了蛋白质丰度的危害比与来自mRNA丰度的危害比之间存在弱相关性，蛋白质的危害比动态范围比mRNA更广，表明复杂的调节回路、翻译失调、翻译后修饰或转录后过程参与了侵略性疾病的发展。

    本研究对局限性前列腺癌的蛋白基因组学表型进行了详细的阐述，实现了围绕中心法则进行的多种组学数据的整合分析，并利用信息学手段明确了前列腺癌中遗传信息的流动过程。本研究的许多结果，如基因组、转录组和蛋白组学结果的不一致性等对前列腺癌的基础和临床研究具有良好的指导意义。与其他数据类型相比，蛋白质组学生物标志物的临床潜力很高，多模式生物标志物的性能始终优于单个数据类型，突出应在多层面实现单个肿瘤中的准确分析。