Human urinary exosome proteome unveils its aerobic respiratory ability

人類尿液外泌體蛋白質組揭示其有氧呼吸能力

來源：Journal of Proteomics, Volume 136, 2016, Pages 25-34

《蛋白質組學雜志》第136卷，2016年，第25-34頁

 

摘要：

論文摘要指出外泌體是細胞釋放的40-100納米囊泡，存在于尿液等體液中，含有組織特異性蛋白質和RNA。本研究通過Orbitrap質譜分析了尿液外泌體的蛋白質組，并與urinoma（尿液總蛋白）比較。共鑒定出3429種蛋白質，外泌體和urinoma重疊較少（29%），外泌體特有蛋白質占28%。生物過程基因本體分析顯示，外泌體蛋白質顯著聚集于代謝功能，尤其是有氧ATP生產。實驗證明尿液外泌體能夠進行氧化磷酸化，消耗氧氣并合成ATP，這表明外泌體作為生物活性囊泡具有先前未知的有氧呼吸能力。建立健康尿液蛋白質組數據庫有助于腎臟疾病研究。

 

研究目的：

研究目的是通過蛋白質組學分析人類尿液外泌體，比較其與urinoma的蛋白質組成，并揭示外泌體的生物功能，特別是其在有氧代謝中的作用，以期為腎臟生理和疾病生物標志物發現提供基礎。

 

研究思路：

研究思路包括收集12名健康捐贈者的尿液樣本，通過超速離心分離外泌體和urinoma組分。使用動態光散射和透射電子顯微鏡表征外泌體大小和形態，通過質譜進行蛋白質組鑒定，并利用生物信息學工具（如Cytoscape）進行功能富集分析。此外，通過氧消耗和ATP合成實驗驗證外泌體的有氧呼吸能力，并使用二維電泳和免疫檢測確認呼吸鏈蛋白的表面表達。

 

測量的數據及研究意義：

1 測量了外泌體的大小和形態，使用動態光散射和透射電子顯微鏡，結果顯示外泌體呈杯狀形態，大小分布峰值為80±8納米（來自圖1）。研究意義是確認外泌體的純度和物理特性，排除污染，為后續蛋白質組分析提供質量保證。

 

2 測量了外泌體和urinoma的蛋白質組，通過質譜鑒定出3429種蛋白質，外泌體特有蛋白質959種（28%），urinoma特有1478種（43%），重疊僅992種（29%）（來自圖2）。研究意義是揭示外泌體蛋白質組的獨特性，表明其可能具有特異功能，如代謝途徑富集。

 

3 測量了蛋白質組的差異表達，通過主成分分析和熱圖顯示外泌體與urinoma形成獨立簇（來自圖3和圖4）。研究意義是證實外泌體蛋白質組與urinoma顯著不同，支持其作為獨立功能實體的觀點。

 

 

 

4 測量了外泌體的生物過程，基因本體分析顯示代謝途徑（如葡萄糖代謝和呼吸鏈）顯著富集（來自圖5）。研究意義是發現外泌體可能參與有氧代謝，挑戰了其僅作為信號囊泡的傳統認知。

 

5 測量了外泌體的氧消耗和ATP合成，使用丹麥Unisense電極進行安培法檢測，結果顯示外泌體在添加NADH或琥珀酸后消耗氧氣，并被魚藤酮和抗霉素A抑制（來自圖6）。研究意義是直接證明外泌體具有功能性氧化磷酸化能力，P/O比約為2.4，表明氧氣消耗與ATP合成耦合。

 

6 測量了外泌體表面蛋白質的表達，通過生物素標記和二維電泳，檢測到ATP合酶β亞基（ATP5B）位于表面（來自圖7）。研究意義是確認呼吸鏈蛋白在外泌體表面功能性表達，支持其自主進行有氧呼吸的機制。

 

 

 

結論：

1 尿液外泌體具有獨特的蛋白質組，顯著富集于代謝途徑，特別是氧化磷酸化相關蛋白。

2 外泌體能夠功能性消耗氧氣并合成ATP，證明其具備有氧呼吸能力，這可能是外泌體的普遍特征。

3 研究為尿液生物標志物發現提供了健康數據庫，并提示外泌體在腎臟疾病診斷和再生醫學中的潛在應用。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：

丹麥Unisense電極用于測量外泌體的氧消耗速率，其研究意義在于直接驗證了外泌體的有氧代謝功能。電極通過安培法實時監測氧氣濃度變化，結果顯示外泌體在添加底物（如NADH）后氧消耗增加，且可被特異性抑制劑（如魚藤酮）阻斷，這表明外泌體呼吸鏈功能完整。該測量不僅證實了蛋白質組預測的代謝能力，還揭示了外泌體可能通過氧化磷酸化自主產生ATP，從而影響細胞能量供應或信號傳遞。使用Unisense電極的優勢在于高靈敏度和實時性，排除了線粒體污染的可能性（因為NADH不能穿透線粒體），強化了外泌體作為獨立代謝單元的結論，為后續研究外泌體在疾病中的作用提供了實驗基礎。