多组学结合研究哺乳动物脂质代谢的调控网络结构

脂肪肝是一种常见的肝脏病理改变，主要是由遗传因素和环境因素共同作用的结果，其发病率逐年上升，且发病年龄日趋年轻化，已经严重威胁人们的健康。目前导致脂肪肝的具体作用机制仍不明确，人们迫切需要发现生物标记物和干预措施，以便早期诊断和治疗。
 
2019 年发表在 Nature 期刊上的一篇文章 「An integrative systems genetic analysis of mammalian lipid metabolism」利用蛋白质组学和脂质系统遗传学方法揭示了哺乳动物脂质代谢的调控网络结构，发现可以预测肝脏中病理性脂质丰度的血脂特征以及一种以前未知的脂质调节蛋白 PSMD9，为在肝脏脂质毒性环境中发现治疗药物和生物标记物提供了新的见解。下面我们来看看具体研究内容吧。（文末有原文下载链接）
 

 
脂质组学
 
文章研究了 107 个近交系小鼠的遗传参考系（GRPs），并在 300 多只约 60 日龄的雄性小鼠中进行了脂质组学和蛋白质组学研究。在肝脏和相应血浆样本中检测出 23 个类别中的 311 种脂质，同时观察到明显的品系间脂质变化，特别是三酰甘油，在肝脏和血浆中变化分别为 27 倍和 16 倍，其次是甘油二酯、神经酰胺、胆固醇酯等。
 
由于病理性脂质在肝脏中的积聚被认为是肝脂毒性的基础，文章重点研究了血浆脂质和一些拟用肝脏病理脂质之间的相关性，从而可以寻找潜在的基于血液的肝脏脂质毒性生物标记物。文中使用相关系数优先排序的血脂成对比率的相关模型，来预测肝内二酰甘油、三酰甘油、神经酰胺、PE(P)、胆固醇酯和游离胆固醇的含量。根据 50 个试验中血脂比例模型的重要性，将 6 种肝脏脂质的可预测性分为高、中、低三种，肝三酰甘油和二酰甘油的丰度具有很高的可预测性（100% 的试验为阳性），神经酰胺、胆固醇酯和 PE(P) 的可预测性为中位数（50-99%）。随后分别测试了小鼠数据集和一个有不同程度脂肪肝的肥胖个体（n=58；平均体重指数>35）的小型人类队列中这些血浆脂质比率，前者显示总肝神经酰胺、三酰甘油和二酰甘油的丰度具有高度的可预测性。后者具有预测总肝三酰甘油和二酰甘油的显著能力，并且有预测肝神经酰胺丰度的趋势。总之，在小鼠数据集中发现的脂质特征，对人类肝脏脂肪毒性的预后和诊断具有潜在的生物标志物应用价值（图 1）。
 

图 1 脂质组学分析

 
蛋白质组学
 
为了确定肝脏中与脂质代谢相关的共同调节的蛋白质网络，对小鼠肝脏样本进行蛋白质组分析，检测到 7775 个蛋白质，其中 4311 个蛋白质在 50 多个品系中被定量。随后将这些蛋白质进行相关性分析，并将这些数据与之前公布的数据集（CORUM, HINT 和 BioGRID）整合，以产生一个高可信度的小鼠肝蛋白相互作用图谱，从而确定与肝脏和血浆脂质丰度相关的未知蛋白质的亚细胞定位和功能。鉴于过氧化物酶体在脂质代谢中的已知作用以及过氧化物酶体蛋白与脂质丰度之间的许多相关性，文中重点关注过氧化物酶体室中鉴定的独特蛋白质。例如，通过共焦显微镜、WB 和亲和纯化-质谱等分析证实了 ACAD11 与几种过氧化物酶体蛋白和多种脂质类相关，表明蛋白在肝脏过氧化物酶体酰基甘油代谢中的作用尚未被发现。因此，这些分析证明了共同调节的蛋白质网络能够询问蛋白质功能，并探索与脂质丰度相关的独特蛋白质的定位和相互作用（图 2）。
 

图 2 与脂质代谢相关的亚细胞共调节网络

 
蛋白质和脂质丰度的遗传调控
 
为了确定影响蛋白质组和脂质组丰度的遗传变异，文中进行了数量性状位点 (QTL) 定位。整合蛋白 QTLs(pQTLs ) 和脂质 QTLs(lQTLs) 数据集，确定了 1984 个与肝脏中蛋白质和脂质丰度相关的常见 SNPs。随后将这些位点与肝脏和血浆的蛋白：脂质相关性数据重叠。这些组合数据集在 17 个含有 pQTL 和 lQTL 的基因位点上鉴定出 281 个 SNPs，并且这些SNPs与肝脏中的蛋白质和脂质直接相关。文中还在 27 个位点中发现了与肝脏蛋白和血脂共映射的 3342 个 SNPs，其中蛋白质和血脂也相互关联。总体来说，系统遗传学方法已经鉴定出许多独特的蛋白质，这些蛋白质可能是调节肝脏和血浆脂质丰度的原因（图 3）。
 

图 3 小鼠蛋白质组和脂质组多样性的系统遗传分析

 
PSMD9 调节脂质代谢
 
接下来，文中研究了脂质组学和蛋白质组学数据集之间的整体相关性，分别在肝脏和血浆中确定 14172 和 22692 个蛋白质：脂质相关性。与胆固醇酯、二酰甘油和三酰甘油高度相关的蛋白质包括 PLIN2 和脂肪酸代谢酶。在肝脏和血浆中，蛋白酶体相关蛋白和脂质之间的相关性的特异性映射表明，PSMD9 与脂质丰度之间存在显著的相关性。PSMD9 与 39 种肝脏脂质呈正相关，与65种血浆脂质呈负相关。此外，QTL 定位在 PSMD9 位点识别出显著的顺式 pQTLs，该位点也与血浆三酰甘油的几个 lQTLs 共定位。结果表明，PSMD9 位点的遗传变异驱动了 PSMD9 蛋白丰度和血浆中三酰甘油水平的变化（图 4）。
 

图 4 蛋白酶体蛋白与脂质丰度相关

 
PSMD9 先前已被证明与蛋白酶体相关；然而，尚未发现已知的功能。为了探讨 PSMD9 在调节脂质代谢中的直接作用，文中对小鼠进行了功能增强和功能丧失的研究。在使用腺病毒的小鼠中，肝脏 PSMD9 过表达导致脂质丰度显著改变，包括血浆酰基甘油明显增加，这表明上调 PSMD9 可促进脂质增加。为了研究 PSMD9 的功能丧失效应，文中使用反义寡核苷酸（ASOs）和西方饮食对两种小鼠（C57BL/6J 和 DBA/2J）进行了在脂毒性条件下的沉默表达研究。结果表明 PSMD9 直接以一种依赖于应变的方式调节肝脏和血脂丰度，至少部分是通过降低肝脏新生脂肪生成来实现的，因此，有必要进一步研究沉默表达 PSMD9 作为降低肝脂毒性的潜在策略的实用性（图 5）。
 

图 5 PSMD9 调节小鼠肝脏和血浆脂质丰度

 
小结
 
1. 鉴定预测小鼠和人类肝脏中病理性脂质丰度的血脂特征；
2. 确定脂质相关蛋白的亚细胞定位和功能；
3. 揭示预测调节脂质丰度的功能蛋白和遗传变异。
 
原文下载链接如下
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图片来源：阿趣生物