SCI 收錄子刊—II 型糖尿病的靶向標志物的研究 | 代謝組學和蛋白組學幫您實現
發布日期:
2019-07-15

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隨著人們日新月異的生活條件的提高,飲食環境的大大改善,此時身體也在像我們發出預警,需要隨時關注,大魚大肉過多需忌口,不可長期久坐需運動、各種指標的變化等都需注意了。

糖尿病的發生也是多方因素引起,遺傳以及環境因素等。遺傳基本都來自家族發病史,明顯存在I型和II型糖尿病的遺傳異質性。而環境條件導致的進食過多,體力活動減少導致的肥胖是II型糖尿病最主要的環境因素,使具有II型糖尿病遺傳易感性的個體容易發病。I型糖尿病患者存在免疫系統異常等。

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來自SCI收錄子刊 Circulation Research,IF=14.467


隨著世界范圍內II型糖尿病(T2D)負擔的持續增加及其并發癥(包括心血管疾病)的增加,我們有必要了解導致糖尿病的代謝紊亂。新型代謝組學和蛋白質組學,在高通量技術的最新進展的推動下,使我們對T2D的循環生物標志物有了前所未有的洞察力,這些標記物可能是糖尿病篩查、診斷和預后的有效工具。

02


尋找新的生物標志物


生物標記物可以成為疾病管理的有力工具。對于T2D,血糖(在禁食或葡萄糖耐量試驗后測量)和血紅蛋白A1c(HbA1c)可作為診斷和篩查生物標志物,在懷疑存在糖尿病時或在其他健康和無癥狀的個人中確認存在。生物標記物還可以提供對疾病預后的洞察力,藥效學或反應生物標記物也有助于識別對藥物治療有生物反應的個體,而不是對藥物治療沒有生物反應的個體。鑒于可以預防這些并發癥的新的T2D藥物的可用性,識別特定T2D并發癥(如ASCVD或腎臟疾病)風險增加的預后生物標志物同樣重要。



03


代謝產物和蛋白作為生物標志物的研究



代謝組學的目的是測量細胞、組織、器官和生物系統中的代謝物濃度,以便系統地研究參與代謝的化學過程。同樣,蛋白質組學的目標是量化和表征所有參與生物體生物過程的蛋白質。

代謝物和蛋白質作為代謝性疾病的生物標志物特別有吸引力,經常參與疾病途徑,導致其濃度不足或積累,從而表明疾病的存在。代謝物生物標志物具有足夠的臨床使用敏感性和特異性,此外,代謝組學現在已經與外顯子組測序結合使用,以識別新陳代謝先天錯誤的新形式,并將基因突變與它們擾亂的代謝途徑聯系起來。由于T2D是一種多基因代謝性疾病,與行為和環境因素有顯著的關系,因此非常適合于代謝組學和蛋白質組學的研究。在一項包括近100萬歐洲體面人的研究中,發現的300多種常見基因變異只占糖尿病表型變異的16%,而80種低頻變異貢獻了1%。這表明,非遺傳因素,包括決定個人飲食和體力活動的行為,環境暴露,以及潛在的人類微生物群,在疾病發展中也起著重要作用。代謝物和蛋白質濃度是基因轉錄的下游產物


一、代謝組學分析





核磁共振(NMR)光譜和質譜(MS)-通常與氣相色譜(GC-MS)或液相色譜(LCMS)耦合-是最常用的分析技術。

核磁共振用于同時檢測不同體液中的幾種代謝物已經有幾十年的歷史了。它利用原子核暴露在強磁場中時的可預測行為(如代謝組學中最常用的1H),基于鄰近原子和電磁輻射暴露的頻率來識別分子化合物結構。也是一種非破壞性的分析方法,可以在體內識別化合物。

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質譜利用色譜分離、分析物電離和按質量進行離子分離,以高分辨率和高靈敏度對生物樣品中的化合物進行定量和鑒定。采用GC,分析物被蒸發成流動氣相并通過液層,非常適合非極性、低分子量、易揮發的分析物。采用LC,分析物被溶解在液體流動相中,并通過一個充滿珠子的柱子,珠子上涂有不同的化合物,作為固定相。LC更適合極性、高分子量、熱不穩定的化合物,各種液相色譜柱便于分離大范圍的代謝物。為了測量質譜中的分析物,它們必須被電離。電噴霧電離(ESI)是最常用的方法,它利用高度帶電的針尖在分析物溶解到液相后對其進行加熱和電離。電離后,離子分離、測量和鑒定可以用幾種不同的分析儀來實現,包括飛行時間(TOF)、四極桿、離子阱質量和Orbitrap儀器。

研究進展




在過去的十年里,非常多的文獻描述了與T2D的代謝組特征。


1、氨基酸

從代謝組學研究中發現的糖尿病和血糖性狀的最強關聯之一是支鏈氨基酸(BCAA)的正相關,例如亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸。在研究分析中表明,支鏈氨基酸濃度處于最高四分位數的個人12年后患?II?型糖尿病的幾率是那些處于最低四分位數的人的2至3.5倍。大量研究數據發現指出支鏈氨基酸升高是肥胖和胰島素抵抗的下游效應,但暫時領先于臨床糖尿病的發展,表明它們可能在某種程度上是疾病發展的媒介。谷氨酸和谷氨酰胺--氮和碳循環的中心并與支鏈氨基酸代謝相關的2種氨基酸--在幾個隊列中也與糖尿病的發生有關。

谷氨酸是由檸檬酸循環產物α-酮格魯酸合成的,是產生抗氧化劑谷胱甘肽的中間產物,一直被發現與糖尿病呈正相關。谷氨酰胺--谷氨酸84的一種轉氨產物--已被發現與糖尿病的發生以及谷氨酰胺/谷氨酸的比值呈負相關。甘氨酸-一種由絲氨酸合成的氨基酸-也一直被發現與T2D的發展和糖耐量受損呈負相關。這些代謝物在糖尿病發展中的潛在作用尚不清楚;然而,每種代謝產物在幾種細胞代謝途徑中都有核心作用。


2、有機酸

α-羥丁酸是氨基酸分解代謝的產物,來源于谷胱甘肽生產途徑的參與者α-酮丁酸鹽-與糖尿病發病呈正相關。在一組沒有糖尿病的個體中,α-羥丁酸水平也被發現與胰島素敏感性呈負相關。乙酰乙酸酯-一種在低糖時由脂肪酸(FA)作為能量來源合成的酮體-在一組芬蘭男性和一項較小的巴伐利亞研究中也與糖尿病風險呈正相關。


3、膽汁酸

在一項利用非靶向方法的歐洲研究中,在年齡和性別調整的模型中,3種膽汁酸(例如,脫氧膽酸、甘膽酸和甘油脫氧膽酸)與發病率呈正相關。已發表的GWAS薈萃分析中確定了CYP7A1編碼區與脫氧膽酸水平相關的單核苷酸多態性,該多態性也與T2D相關。


4、碳水化合物

己糖-通常由包括葡萄糖和果糖在內的6種碳單糖的多種不同異構體組成-是糖尿病代謝組學研究中分析最頻繁的碳水化合物。在歐洲癌癥與營養前瞻性調查-波茨坦德國隊列的嵌套病例對照研究中,使用非靶向方法,一種甘露醇和幾種脫氧己糖被發現與糖尿病風險呈負相關。


5、脂類和酰肉堿

傳統的臨床血脂測定往往缺乏特異性,但通過氣相色譜和LC-MS技術,現在可以通過總酰鏈碳數和雙鍵含量來識別獨特的脂質種類。

一項研究發現,單不飽和脂肪酸占總脂肪酸的比例與未來T2D的風險增加呈正相關。飽和脂肪酸、n-7和n-9脂肪酸占總脂肪酸的比率以及甘油、總脂肪酸和總三酰甘油水平與T2D風險呈正相關,而二十二碳六烯酸、ω-3脂肪酸和n-6脂肪酸亞油酸的比率與總脂肪酸呈負相關。支鏈氨基酸的分解代謝也會導致特定的酰肉堿種類的產生。這一類已經在幾個代謝組學隊列中進行了研究,因為他們處于支鏈氨基酸和脂肪酸代謝的交叉點。Newgard等人發現支鏈氨基酸分解代謝產物C3和C5酰肉堿升高與胰島素抵抗密切相關。


6、外源性代謝物

循環中的代謝物不僅來自細胞和組織的新陳代謝,還可以來自飲食或外來生物-通過食品防腐劑或容器、環境暴露或從人體微生物群引入的外來化學物質。隨著高通量技術測量的代謝物數量的增加,人們也越來越意識到這些外源性代謝物來源可能在T2D的發展中發揮作用。常見臨床風險因素的模型中,發現赤蘚糖醇(一種食品添加劑)與糖尿病發病顯著相關。芬蘭學者研究糖尿病預防研究的一個子隊列中,使用非靶向LC-MS血清代謝物圖譜發現酪氨酸微生物組代謝物吲哚丙酸的濃度與T2D的發展呈負相關,與總纖維和全谷物攝入量呈正相關。



二、蛋白質組學






蛋白質圖譜技術的最新發展提高了現在可以測量的循環蛋白質的效率和數量。利用多重抗體和/或新型親和試劑的基于親和力的方法的發展極大地擴展了可以定量的蛋白質的數量。利用寡核苷酸可以實現的各種結構確認與目標蛋白表位結合,以便于蛋白質檢測和定量。用傳統的免疫分析、質譜和整合基因組學進行確認,可以幫助確認蛋白質鑒定的特異性。在選擇適當的鑒定和定量方法時,還需要考慮諸如空白極限、檢測極限和相對于給定生物樣本中感興趣的蛋白質的預期濃度的定量極限等特性。最后,還應考慮確認用于鑒定的抗體或適配子的特異性-利用MS或確認性免疫分析。


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1、與心血管疾病的關聯

代謝組學和蛋白質組學也被用來研究心血管疾病的生物標記物,一些潛在的共同代謝途徑,涉及胰島素抵抗、T2D和心血管疾病。對于脂質,特定的LPC和鞘磷脂種類與冠狀動脈疾病的發生有關,而含有不飽和FAs的LPC和LPC血漿原水平較高,以及含有二酰甘油、鞘磷脂和神經酰胺的PC水平較高,而含有飽和FAs的LPC和LPC血漿原水平降低與冠狀動脈疾病增加有關。對于蛋白質,一項研究表明,200種蛋白質與心血管事件有關,包括幾個也與T2D相關的家族(如白細胞介素、組織蛋白酶和FA結合蛋白)。蛋白酶SERPINA3是臨床風險預測模型中包含的9種蛋白中的一種,該模型改進了先前建立的臨床風險因素。


2、遺傳因素對循環代謝物和蛋白質濃度的影響

循環代謝物或蛋白質個體間變異性的一定百分比可歸因于遺傳。代謝物和蛋白質也可以同時受到多個基因的影響。數據研究表明,遺傳可以解釋氨基酸和小分子水平變化的23-55%。脂質和脂蛋白的百分比較高,為48-76%。雖然遺傳影響很大,但仍有一定比例無法用遺傳學解釋。遺傳因素也會影響循環中的蛋白質濃度。



3、差異的生物標志物

在糖尿病預防計劃中,代謝組學已經證明,特定代謝物的基線濃度與生活方式改變與二甲雙胍預防T2D效果的差異有關。由于體力活動和飲食的改變,包括甜菜堿在內的代謝物的變化,以及僅由于飲食的改變而產生的精氨酸和精氨酸代謝物的變化,也與這些干預措施降低T2D的風險有關。在蛋白質組學方面,Williams等人利用之前在穩定性冠心病患者中產生的心血管事件的9個蛋白質風險評分來證明,他們可以預測臨床試驗中發現的與心血管事件增加有關的新型膽固醇藥物torcetrapib將在臨床試驗開始后3個月內與心血管不良反應有關。



三、結論






代謝組學和蛋白質組學是可以用來研究T2D生物標志物的強大技術。代謝組學與基因組學和其他組學數據的整合可以幫助闡明疾病發展的途徑,隨機對照試驗中的圖譜可以提供有關治療效果或反應的信息。與心血管疾病重疊的研究結果也強調了可能解釋T2D相關心血管發病率和死亡率的共同途徑。在未來,非靶向方法可以極大地擴大可供研究的循環生物標記物的池,同時在治療試驗中使用這些技術還可以識別個體對治療的反應的標記物。



來源:華測醫學檢測所微信公眾號

文獻參考

DOI: 10.1161/CIRCRESAHA.120.315898

Metabolomics and Proteomics in Type 2 Diabetes