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2020年突如其來(lái)的新冠疫情不僅給公共衛(wèi)生造成了極大負(fù)擔(dān)，更直接影響和重塑了傳染病的研究模式。新冠肺炎疫情持續(xù)期間，相關(guān)科研論文產(chǎn)出呈現(xiàn)井噴之勢(shì)。在Pubmed搜索“Covid-19 or SARS CoV-2”，結(jié)果顯示相關(guān)論文數(shù)量為145112篇。組學(xué)技術(shù)在傳染病的表征、致病機(jī)制、臨床檢測(cè)、疫苗研發(fā)等過(guò)程都發(fā)揮著重要作用。
 

01 病毒致病機(jī)制及生物標(biāo)志物研究

蛋白質(zhì)組學(xué)ZS學(xué)者M(jìn)atthias Mann近日在Nature上發(fā)表了題為“Multilevel proteomics reveals host perturbations by SARS-CoV-2 and SARS-CoV”的文章^[1]。以O(shè)rbitrap為主要分析平臺(tái)，在蛋白質(zhì)組、泛素化修飾組、磷酸化修飾組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)等多層次表征了SARS-CoV-2 和 SARS-CoV對(duì)宿主的干擾。并對(duì)比分析了這兩種病毒蛋白質(zhì)與宿主蛋白質(zhì)的相互作用，確定了各自密切相關(guān)的冠狀病毒*的以及共有的關(guān)鍵蛋白質(zhì)，篩選出兩種具有顯著抗病毒效果的候選藥物。
 

多組學(xué)表征SARS-COV-2和SARS-COV對(duì)宿主的干擾

ZG學(xué)者在此次新冠相關(guān)的生命科學(xué)研究中也取得了重大進(jìn)展。西湖大學(xué)的研究者先后在Cell上發(fā)表了兩篇學(xué)術(shù)研究，運(yùn)用Orbitrap超高分辨質(zhì)譜，對(duì)新冠病人及對(duì)照組的血清樣本和組織樣本對(duì)新冠進(jìn)行了系統(tǒng)全面的質(zhì)譜分析。篩選出重癥患者特征性的22個(gè)蛋白質(zhì)和7個(gè)代謝物^[2]，構(gòu)建了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^[3]。
 

新冠輕重癥病人蛋白、代謝生物標(biāo)志物篩選

代謝與疾病密不可分，代謝紊亂會(huì)引起多種疾病。腸道菌群結(jié)構(gòu)和代謝失調(diào)可能與長(zhǎng)期的COVID-19風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)。今年3月，鄭州大學(xué)DY附屬醫(yī)院和浙江大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)共同發(fā)表題為”Alterations in the human oral and gut microbiomes and lipidomics in COVID-19 “的研究論文，利用392例舌苔樣本，172例糞便樣本和155份血清樣本進(jìn)行了16S測(cè)序和脂質(zhì)組學(xué)分析，首次表征了COVID-19患者及康復(fù)患者口腔微生物組和脂質(zhì)的變化。結(jié)果顯示，新冠患者口腔和糞便微生物多樣性顯著降低。口腔中產(chǎn)生丁酸的細(xì)菌減少，而產(chǎn)生脂多糖的細(xì)菌增加。8種ZJ口腔微生物標(biāo)志物和7種糞便微生物標(biāo)志物在不同隊(duì)列中均具有良好的診斷效率，在跨區(qū)域隊(duì)列中，診斷效率達(dá)到了87.24％^[4]。
 

新冠患者康復(fù)過(guò)程中微生物的代謝組學(xué)研究

02 病毒變異研究

新冠病毒在傳播過(guò)程中不斷變異，進(jìn)而引起傳播速度加快，降低疫苗效力等不良后果。對(duì)病毒的突變進(jìn)行表征和研究至關(guān)重要。在2021年初，研究人員在加利福尼亞收集的冠狀病毒中發(fā)現(xiàn)了SARS-CoV-2變體。這些變體具有影響刺突蛋白的突變，該突變會(huì)影響疫苗效力。通過(guò)質(zhì)譜表征發(fā)現(xiàn)，其中S13I的突變位于信號(hào)肽，可改變信號(hào)肽的剪切位點(diǎn)，進(jìn)而影響N末端區(qū)域NTD抗原位點(diǎn)的完整性。而NTD是新冠患者或者接種疫苗人群產(chǎn)生的中和抗體的主要對(duì)抗區(qū)域。這揭示了該病毒具有較強(qiáng)免疫逃逸能力的原因，也為后續(xù)新冠病毒的其他變異毒株的研究工作提供了參考^[5]。

S131信號(hào)肽突變引起病毒免疫逃逸

03 臨床檢測(cè)

隨著新冠疫情的持續(xù)蔓延，臨床測(cè)試需求急劇增加，常規(guī)PCR核酸檢測(cè)相關(guān)的耗材和設(shè)備也面臨著巨大產(chǎn)能壓力。而且由于RNA不穩(wěn)定，且PCR檢測(cè)具有一定的假陽(yáng)性率，科學(xué)家積極尋求更穩(wěn)定、容易操作，且能夠提供快速報(bào)告的臨床檢測(cè)方法。

來(lái)自巴西的學(xué)者首先使用正負(fù)離子模式對(duì)新冠患者鼻咽拭子標(biāo)本進(jìn)行數(shù)據(jù)依賴采集，然后基于微流色譜法與四極桿串聯(lián)線性離子阱質(zhì)譜的平臺(tái)對(duì)病毒特征蛋白進(jìn)行靶向分析。結(jié)合自動(dòng)化前處理，每天可以完成500個(gè)樣品的檢測(cè)工作。在985個(gè)樣品的檢測(cè)中準(zhǔn)確率和特異性分別高達(dá)84%和 97%^[6]。 
 

基于非靶和靶向蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)的新冠病毒臨床檢測(cè)流程

小結(jié)：

質(zhì)譜技術(shù)在新冠疫情中的取得的戰(zhàn)“疫”成果不局限于本文所提及的研究領(lǐng)域，而是廣泛應(yīng)用于病毒相關(guān)的病理、毒理、藥理、診斷、疫苗研發(fā)等全流程研發(fā)工作中。基于Orbitrap金標(biāo)準(zhǔn)的組學(xué)技術(shù)，能夠提供超高分辨率和靈敏度，可為病毒蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)、臨床檢測(cè)等方面的研究者所面臨 “樣本基質(zhì)復(fù)雜、假陰性/假陽(yáng)性、大樣本連續(xù)分析”等挑戰(zhàn)提供強(qiáng)大的技術(shù)保障。

參考文獻(xiàn)：

[1] Stukalov A ,  Girault V ,  Grass V , et al. Multilevel proteomics reveals host perturbations by SARS-CoV-2 and SARS-CoV[J]. Nature, 2021:1-11.

[2] Shen B ,  Yi X , Sun Y , et al. Proteomic and Metabolomic Characterization of COVID-19 Patient Sera[J]. Cell, 2020, 182(1).

[3] Nie X , Qian L ,  Sun R , et al. Multi-organ proteomic landscape of COVID-19 autopsies - ScienceDirect[J]. Cell, 2021.

[4] Ren Z ,  Wang H ,  Cui G , et al. Alterations in the human oral and gut microbiomes and lipidomics in COVID-19[J]. Gut, 2021:gutjnl-2020-323826.

[5] SARS-CoV-2 immune evasion by variant B.1.427/B.1.429. BioRxiv, 2021.

[6] Cardozo K ,  Lebkuchen A ,  Okai G G , et al. Establishing a mass spectrometry-based system for rapid detection of SARS-CoV-2 in large clinical sample cohorts[J]. Nature Communications, 2020, 11(1).