代謝組學(xué)文獻分享：三組學(xué)整合分析在中醫(yī)藥研究中的應(yīng)用

組學(xué)研究中經(jīng)常會涉及到轉(zhuǎn)錄組-代謝組、代謝組-蛋白組等兩個組學(xué)之間的關(guān)聯(lián)分析，但小伙伴們有碰到過代謝組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組3個組學(xué)的整合研究嗎？百趣生物小趣和大家分享一篇代謝組、轉(zhuǎn)錄組和蛋白組3組學(xué)整合分析的文獻。

文章題目為：System biology analysis of long term effect and mechanism of Bufei Yishen on COPD revealed by system pharmacology and 3-omics profiling。該文2016年發(fā)表在Scientific Reports上，是關(guān)于中藥藥理方面的研究。

1 前言
慢性阻塞性肺疾�。–OPD）是一種具有氣流阻塞特征的慢性支氣管炎和（或）肺氣腫，可進一步發(fā)展為肺心病和呼吸衰竭的常見慢性疾病。與有害氣體及有害顆粒的異常炎癥反應(yīng)有關(guān)，致殘率和病死率很高，全球40歲以上發(fā)病率已高達9%～10%。

補肺益腎方（BYF）是一種由12種中草藥組成的中藥配方，臨床上已被證實對COPD具有較好的治療效果。然而，目前BYF對COPD的長期影響和治療機制仍不清楚。

百趣代謝組學(xué)文獻分享，本研究通過轉(zhuǎn)錄組學(xué) - 蛋白質(zhì)組學(xué) - 代謝組學(xué)的整合分析，并結(jié)合系統(tǒng)藥理學(xué)分析了BYF的長期治療效果和潛在機制，發(fā)現(xiàn)BYF可能通過從系統(tǒng)層面調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝、氧化應(yīng)激、細胞連接和炎癥反應(yīng)途徑對COPD發(fā)揮長期治療作用。

2 研究方法
樣本收集：
第0~8周建立COPD大鼠模型，第9周~20周每天給藥治療1次，第32周處死大鼠，取肺組織用于后續(xù)檢測。

檢測方法：
轉(zhuǎn)錄組：Microarray（大鼠全基因組表達譜芯片）
蛋白組：LC-MS
代謝組：LC-MS

數(shù)據(jù)分析：
Agilent GeneSpring GX sofware 11.0
SIMCA-P：PLS-DA
BINGO（Cytoscape v3.1.1插件）、ClueGO（Cytoscape插件）：分子功能注釋
MetaboAnalyst 3.0：Pathway analysis
SPSS 19.0：ANOVA

3 結(jié)果與討論

呼吸系統(tǒng)檢測：
百趣代謝組學(xué)文獻分享，首先，在第0~32周，每4周測一次呼吸數(shù)據(jù)：潮氣量（TV）、呼氣峰值流量（PEF）和50％潮氣量呼氣流量（EF50），進而評估肺功能。結(jié)果顯示：與對照組大鼠相比，模型組大鼠從第4周到第32周，潮氣量（TV）、呼氣流量峰值（PEF）和50％潮氣量呼氣流量（EF50）明顯降低，但BYF會明顯減少這種降低水平，如圖1 所示。
 

圖1  BYF對COPD大鼠肺功能的長期影響（*p< 0.05 vs. Model）

組織病理檢測：
模型大鼠的肺損傷評分、細支氣管壁厚度、小肺血管壁厚度、細支氣管狹窄和肺泡直徑都明顯增加，這可以通過BYF治療得到顯著的抑制。百趣代謝組學(xué)文獻分享，此外，BYF治療也顯著增加了COPD大鼠的肺泡數(shù)量。如圖2所示，這些數(shù)據(jù)表明BYF治療對COPD大鼠具有長期治療效果。

圖2  BYF對COPD肺組織組織學(xué)變化的長期影響（*p< 0.05, **p< 0.01 vs. Model）

百趣代謝組學(xué)文獻分享，通過測試BYF對肺組織中炎癥介質(zhì)表達的長期影響，發(fā)現(xiàn)COPD模型組大鼠中，IL-6、IL-1β、TNF-α和sTNFR2的水平增加，并且這種增加受到BYF的顯著抑制，如圖3所示，這些結(jié)果證明，在第32周，BYF治療可以有效地抑制肺組織中的炎癥反應(yīng)。
 

圖3  BYF對COPD大鼠IL-1β、 IL-6 、TNF-α和sTNFR2表達的長期影響（**p< 0.01 vs. model）

蛋白酶-抗蛋白酶失衡導(dǎo)致結(jié)締組織的分解，并誘導(dǎo)肺實質(zhì)的破壞和肺氣腫的發(fā)展，這是COPD中關(guān)鍵的發(fā)病機制。百趣代謝組學(xué)文獻分享，有研究顯示，在COPD患者的支氣管肺泡灌洗液中觀察到MMP-2和MMP-9濃度增加，肺實質(zhì)中MMP-9活性增加，TIMP-1活性降低[1,2]。此外，COPD中的膠原沉積對持續(xù)性組織損傷至關(guān)重要，并且誘導(dǎo)氣流阻塞[3]。

作者通過檢測BYF對肺組織中MMP-2，MMP-9，TIMP-1和 膠原蛋白I，III和IV表達的長期影響，發(fā)現(xiàn)BYF顯著降低了MMP-2和MMP-9的表達水平并增加了TIMP-1的表達水平（圖4），且顯著降低了膠原蛋白 I，III和IV的表達（圖5）。百趣代謝組學(xué)文獻分享，這些結(jié)果表明，BYF在第32周可通過降低膠原蛋白 I，III，IV和MMP-2/9的表達，增加TIMP-1的表達來抑制膠原沉積和蛋白酶-抗蛋白酶失衡。
 

圖4  BYF對COPD大鼠MMP-2, MMP-9 and TIMP-1表達的長期影響（*p< 0.05, **p< 0.01 vs. model）
 

圖5  BYF對COPD大鼠 collagens I, III, IV表達的長期影響（*p< 0.05, **p< 0.01 vs. model）

以上的結(jié)果總的來說都表明BYF對COPD大鼠具有長期治療作用！那么這種長期作用的機制是什么呢？很羞愧上面說了那么多非重點，接下來就是本次分享的重點了。

基因?qū)用妫?/span>
通過大鼠全基因組表達譜芯片技術(shù)，檢測到大約41000個基因，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)在COPD模型組（VS對照組）和BYF治療(VS COPD模型)組中分別有1063和1106個差異基因。然后對這些差異基因進行了分子功能注釋，發(fā)現(xiàn)這些基因可歸因于各種分子功能，例如氧化還原酶活性、金屬內(nèi)肽酶活性、激素受體結(jié)合或NF-κB結(jié)合（圖6）。 
 

圖7  COPD大鼠（A）和BYF治療大鼠（B）肺組織中蛋白的分子功能

進一步分析發(fā)現(xiàn)，COPD模型組（191種蛋白質(zhì)）與BYF處理組（187種蛋白質(zhì)）共享有132種常見蛋白。在這132種蛋白中，COPD模型組在BYF治療后有70種共有蛋白質(zhì)表達受到抑制，且主要與氧化還原酶活性、抗氧化活性、細胞外基質(zhì)結(jié)合和蛋白磷酸酶結(jié)合分子功能有關(guān)，這可能是BYF作用的治療機制（圖7C）。
 

圖7C  COPD大鼠與BYF治療大鼠之間重疊蛋白的主要功能

代謝物層面：
最后，對代謝組學(xué)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)在COPD模型（VS對照）和BYF治療（VS COPD模型）大鼠中分別有41和32種差異代謝物，經(jīng)MetaboAnalyst通路分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)這些代謝物主要參與花生四烯酸、亞油酸或谷胱甘肽的代謝（圖8）。后面通過網(wǎng)絡(luò)互作分析發(fā)現(xiàn)這些代謝異常主要與脂質(zhì)代謝有關(guān)。
 

圖10  重疊蛋白的分子功能

最后，使用Metscape軟件，通過構(gòu)建相關(guān)網(wǎng)絡(luò)，分析了調(diào)節(jié)BYF治療大鼠的代謝物和靶蛋白之間的潛在關(guān)系，發(fā)現(xiàn)代謝物 - 靶蛋白網(wǎng)絡(luò)主要由脂質(zhì)代謝組成（圖11）。
 

圖11  BYF治療大鼠代謝物和靶蛋白的代謝相關(guān)網(wǎng)絡(luò)

通過以上綜合分析，則為BYF治療COPD的長期效應(yīng)機制提供了的全面系統(tǒng)的解釋。百趣代謝組學(xué)文獻分享，這些結(jié)果說明BYF通過調(diào)節(jié)多種生物學(xué)途徑如脂質(zhì)代謝、炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激、局灶性粘連途徑對慢性阻塞性肺病有長期療效（圖12）。
 

圖12  BYF潛在靶點和BYF治療大鼠肺組織的轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)的綜合分析

好啦！以上就是這篇文章的最后結(jié)果了，得出的結(jié)論總的來說有：COPD和BYF治療的大鼠中受調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)錄物、蛋白質(zhì)和代謝物歸因于多種分子功能，例如氧化還原酶活性、抗氧化活性和脂質(zhì)代謝；且BYF可能通過調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝、炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激和系統(tǒng)水平的局灶性粘連途徑實現(xiàn)其對COPD的長期治療作用。

參考文獻：
[1]Culpitt, S. V. et al. Effect of high dose inhaled steroid on cells, cytokines, and proteases in induced sputum in chronic obstructive pulmonary disease. Am. J. Respir. Crit. Care. Med. 160, 1635-1639 (1999).

[2]Finlay, G. A. et al. Matrix metalloproteinase expression and production by alveolar macrophages in emphysema. Am. J. Respir. Crit. Care. Med. 156, 240-247 (1997).

[3]. Leeming, D. J. et al. Serological investigation of the collagen degradation profile of patients with chronic obstructive pulmonary disease or idiopathic pulmonary fibrosis. Biomark. insights 7, 119-126 (2012).