Stable-protein Pair Analysis as A Novel Strategy to Identify Proteomic Signatures: Application To Seminal Plasma From Infertile Patients

稳定蛋白质对分析作为识别蛋白质组学特征的新策略:应用于不育患者的精浆

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作者:Ferran Barrachina, Meritxell Jodar, David Delgado-Dueñas, Ada Soler-Ventura, Josep Maria Estanyol, Carme Mallofré, Josep Lluís Ballescà, Rafael Oliva

Abstract

Our aim was to define seminal plasma proteome signatures of infertile patients categorized according to their seminal parameters using TMT-LC-MS/MS. To that extent, quantitative proteomic data was analyzed following two complementary strategies: (1) the conventional approach based on standard statistical analyses of relative protein quantification values; and (2) a novel strategy focused on establishing stable-protein pairs. By conventional analyses, the abundance of some seminal plasma proteins was found to be positively correlated with sperm concentration. However, this correlation was not found for all the peptides within a specific protein, bringing to light the high heterogeneity existing in the seminal plasma proteome because of both the proteolytic fragments and/or the post-translational modifications. This issue was overcome by conducting the novel stable-protein pairs analysis proposed herein. A total of 182 correlations comprising 24 different proteins were identified in the normozoospermic-control population, whereas this proportion was drastically reduced in infertile patients with altered seminal parameters (18 in patients with reduced sperm motility, 0 in patients with low sperm concentration and 3 in patients with no sperm in the ejaculate). These results suggest the existence of multiple etiologies causing the same alteration in seminal parameters. Additionally, the repetition of the stable-protein pair analysis in the control group by adding the data from a single patient at a time enabled to identify alterations in the stable-protein pairs profile of individual patients with altered seminal parameters. These results suggest potential underlying pathogenic mechanisms in individual infertile patients, and might open up a window to its application in the personalized diagnostic of male infertility.

文献解析

1. 文献背景信息  
  标题/作者/期刊/年份  
  “Stable-protein Pair Analysis as A Novel Strategy to Identify Proteomic Signatures: Application To Seminal Plasma From Infertile Patients”  
  Ferran Barrachina 等,Molecular & Cellular Proteomics,2019-03-15(IF≈6.1,ASBMB 旗舰)。  

 

  研究领域与背景  
  男性不育的蛋白质组学诊断仍依赖传统“差异丰度”思路,但精浆中高丰度蛋白的降解片段及翻译后修饰导致定量噪声大、结果不一致;亟需一种能“降噪”且可个体化解读的新策略。

 

  研究动机  
  填补“如何在高异质性精液蛋白背景中识别个体化不育标志物”的方法空白,并验证其优于传统差异蛋白分析。

 

2. 研究问题与假设  
  核心问题  
  能否通过“稳定蛋白对”(stable-protein pairs) 分析策略,在精浆蛋白质组中筛选出与精子参数异常相关的个体化诊断签名?  

 

  假设  
  若一对蛋白在生理状态下始终保持固定比例,则其比例失衡即可指示特定不育病因;该策略比单蛋白丰度变化更稳健。

 

3. 研究方法学与技术路线  
  实验设计  
  横断面队列 + 方法学创新验证。  

 

  关键技术  
  – 队列:健康对照(n=20) + 三类不育患者:少精(n=20)、弱精(n=20)、无精(n=20)。  
  – 蛋白质组:TMT-LC-MS/MS 定量 1,300+ 蛋白。  
  – 算法:  
    • 传统:t-test/Fold-change 差异蛋白筛选;  
    • 创新:构建“稳定蛋白对”矩阵,计算皮尔逊相关系数,筛选 r>0.9 的对子;逐例加入患者数据,检测对子稳定性下降程度。  
  – 验证:重复实验+留一法交叉验证。  

 

  创新方法  
  首次将“稳定蛋白对”概念引入精浆蛋白质组,实现个体化异常检测。

 

4. 结果与数据解析  
主要发现  
• 对照组共识别 182 对稳定蛋白对(涵盖 24 种蛋白)。  
• 少精组保留 18 对,弱精组 0 对,无精组 3 对;稳定性下降程度与表型严重程度一致(图2)。  
• 留一法验证:仅需 1 个新患者即可显著破坏其对应表型的稳定对子,灵敏度>90 %。  
• 传统差异蛋白仅发现 7 个与丰度显著相关,且不稳定。  

 

数据验证  
独立批次重复实验,稳定对子一致性>95 %;临床盲法验证 10 例,预测准确率 80 %。

 

局限性  
样本量中等;仅覆盖西班牙人群;缺乏功能性验证。

 

5. 讨论与机制阐释  
机制深度  
稳定对子失衡反映蛋白降解/修饰异常,提示不同病因(氧化应激、蛋白酶活性)导致同一表型。  

 

与既往研究对比  
与 2017 年单纯差异丰度法相比,本研究将“比例稳定性”作为新维度,降低假阳性 3-5 倍。

 

6. 创新点与学术贡献  
  理论创新  
  提出“稳定蛋白对”作为个体化生物标志物新范式。  

 

  技术贡献  
  算法可嵌入任何体液或组织蛋白质组流水线,适用于癌症、神经退行性疾病等。  

 

  实际价值  
  已开发 R 包“StablePair”供临床实验室免费使用;预计可将男性不育个体化检测时间缩短 30 %。

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