随着蛋白质组学技术的快速发展，针对心脏组织的蛋白质组学研究也取得了长足进步。2017年12月，德国马克斯-普朗克研究所的研究人员分析了3个健康心脏样本，16个不同解剖学区域和4类心脏细胞中的蛋白质组学，绘制出人类健康心脏组织的蛋白组学图谱，为心脏疾病发病机制研究、biomarkers筛选以及治疗靶点的发现夯实了基础（查看解读）。

心脏节律性收缩是由窦房结产生的电冲动(动作电位)引起的，窦房结是位于右心房背壁的一小群高度特化的细胞。众所周知，窦房结的肌细胞具有产生周期性动作电位的能力，每个动作电位都会引发心跳，从而使窦房结充当心脏的起搏器。然而，究竟是什么让这群细胞如此独特，我们所知甚少。起搏被认为是膜时钟或Ca²⁺时钟的结果，两者的相对重要性被激烈地争论。

近日（2019年6月28日），国际著名期刊Nature Communications发表了运用蛋白组学的方法揭示了心脏起搏的机制的研究。为了区分起搏的两种相互矛盾的解释，研究人员运用高分辨率质谱分析，量化了窦房结和邻近的非起搏器性心房肌的蛋白质丰度，同时结合对窦房结活检进行单核RNA测序，将测量的蛋白进行细胞类型归类。最终揭示了与膜时钟相关的离子通道的显著差异，而与Ca²⁺时钟蛋白无关。

文章对心脏自然起搏器窦房结的形成过程进行了全面的研究，超过7000种蛋白质被定量，使其成为迄今为止最详细的定量心脏蛋白组之一，也是首次针对窦房结组织的蛋白质组研究，这使得它成为目前心脏其他蛋白图谱的重要补充，也为心脏起搏器的生物学研究提供了深入的见解。

研究背景

1、 窦房结及心房肌蛋白质组学分析

为了明确窦房结蛋白的表达，研究人员从小鼠心脏中分离窦房结和邻近的右房肌，并采用高分辨率串联质谱（LC-MS/MS）分析蛋白表达差异。主成分分析(PCA)将样本清晰地分为两组，窦房结和心房肌；分层聚类分析将窦房结和心房肌分为两个不同的簇。这些数据构成了定量分析窦房结和心房组织差异的基础。

 窦房结及心房肌蛋白质组学分析

2、 窦房结Ca2+时钟和膜时钟蛋白表达分析

随后，研究人员基于iBAQ分析（intensity-based absolute quantification ），评估了膜时钟和Ca²⁺时钟所有相关蛋白的蛋白丰度。研究结果揭示在膜时钟中观察到窦房结和心房肌之间的显著差异，而不是Ca²⁺时钟蛋白，表明是由膜时钟组成的离子通道的独特结构赋予了心脏起搏功能。

 窦房结Ca2+时钟和膜时钟蛋白表达分析

3、 窦房结蛋白和心房蛋白的功能差异

鉴于蛋白质组学数据的高覆盖性，研究人员继而以此揭示窦房结和心房肌之间蛋白表达不同来区分功能的差异。结果揭示心脏起搏通道HCN4是组织间表达差异最大的蛋白，同时还强调了>500的蛋白以前未被识别为窦房结和心房肌之间的差异表达。差异表达蛋白相互作网络分析表明，窦房结中表达较高的蛋白富集于肌动蛋白细胞骨架、收缩纤维、染色质、神经丝、碳水化合物代谢、脂质代谢、胶原蛋白和结缔组织。最后，研究人员通过snRNA-seq分析作为参考来识别差异表达蛋白的细胞群。

 窦房结蛋白和心房蛋白的功能差异

总结来说，研究者首次运用蛋白质组学对心脏自然起搏器窦房结的形成过程进行了全面的研究，阐明了长期以来关于窦房结起搏的争论，数据显示窦房结的特征性，包括代谢、离子循环和细胞外基质这些异常都与心脏病密切相关。这些研究为评估窦房结功能及窦房结病理状态下的分子变化奠定了基础。

参考文献

1、Sophia Doll, et al., 2017, Region and cell-type resolved quantitative proteomic map of the human heart. Nature Communications.

2、Nora Linscheid, et al., 2019, Quantitative proteomics and single-nucleus transcriptomics of the sinus node elucidates the foundation of cardiac pacemaking. Nature Communications.