Cell & PNAS | 功能多组学，打通生命活动调控思路的重磅组合拳！

精准医学与蛋白组学

2022.5.25

杭州景杰生物科技股份有限公司

◉ 功能多组学研究思路

蛋白质组学、代谢组学等组学技术，彻底改变了科学研究的方式。代谢物及蛋白质是代谢途径的主要参与者，代表“什么是正在发生和已经发生”，相比基因更具有高度动态化和强空间异质性。然而现有的多组学联合分析通常是关注简单的存在/不存在相关性，对不同维度间因果关系与具体机制知之甚少。也因此催生了功能多组学 (Functional Multi-omics) 研究的新策略，旨在通过系统性的表征“代谢调控”的三大核心要素：蛋白 (酶) -修饰-代谢物，从而更深入地解析生物分子的功能与代谢调控详细机制。

图1 中心法则与功能多组学
翻译后修饰是功能多组学的关键，串联蛋白质组与代谢物变化。蛋白-修饰-代谢紧密联系在代谢调控网络中的巨大关联性，构成了功能多组学研究框架的核心组成部分。一方面，乳酸、β-羟基丁酸、琥珀酸、酰基辅酶A等代谢物可作为前体物质，催化蛋白质发生翻译后修饰，从而调控蛋白质的结构及功能。另一方面，细胞通过修饰转录因子或代谢酶，间接或直接调控调控代谢流量。

图2 蛋白-修饰-代谢紧密联系，是代谢途径的主要参与者
下面我们结合两篇经典高分文章，了解功能多组学的应用思路。

案例1

功能多组学鉴定菌血症高价值血液标志物

金黄色葡萄球菌菌血症 (Staphylococcus aureus bacteremia, SaB) 会导致患者免疫反应失调从而造成较高的死亡率 (20-30%)。该研究运用定量蛋白质组学、代谢组学等技术对200余份SaB患者血清样本进行分析，鉴定到高价值标志物组合 (代谢+蛋白+完整糖肽) 其预测患者死亡风险的能力远超以往报道。

研究人员首先对正常人 (25例)、SaB幸存患者 (99例) 以及SaB死亡患者 (76例) 的血清样本 (样本策略) 使用定量蛋白质组学、糖基化修饰组学技术 (完整糖肽) 以及代谢组学 (质谱策略) 等方法进行分析。

图1-1 SaB患者血清的多组学分析
对应预测感染与未感染，蛋白质组学分析鉴定到高置信度的蛋白生物标志物SERPINA5，其预测能力比现行的标志物CRP更加准确 (ROC-AUC 0.9891 vs. 0.92-0.9691)。

图1-2 用于预测感染与未感染的SERPINA5的ROC曲线
对于预测个体感染后能否存活，单独以蛋白或者代谢物进行预测准确度都不高 (ROC-AUC分别为0.76,0.75，下图A，B)。蛋白+代谢物可以提高预测的准确性 (ROC-AUC：0.84，下图C)。

图1-3 用于预测 SaB 患者死亡率的高置信度生物标志物
糖基化修饰组学研究表明血液蛋白上的翻译后修饰 (糖基化) 有潜力成为新型的生物标志物，相比蛋白及代谢物，显示出更强的预测能力。AHSG N156的带两个唾液酸的N糖肽，作为独立因子预测感染有0.9981的ROC-AUC，高于蛋白SERPINA5 (下图A)。AHSG N156的带有一个唾液酸的N糖肽，作为独立因子预测感染后存活准确性超过Fetuin B和代谢物ID349 (下图B)。多个维度联合分析挑选标志物组合提高预测的准确性，蛋白+代谢物+完整糖肽提高预测感染后死亡的的准确度至ROC-AUC 0.92 (如果只用蛋白质+代谢物，ROC-AUC 0.84；如果只用蛋白质，ROC-AUC 0.75，下图C)。

图1-4 蛋白+代谢物+完整糖肽的标志物组合
总结：功能多组学研究可突破常规单一维度数据鉴定标志物的局限，用于鉴定新型生物标志物。其研究策略为从代谢物+蛋白+糖基化修饰三重维度，辅以机器学习加速鉴定特异性和灵敏度更加优异的新型标志物。更多案例

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案例2

PNAS：琥珀酰化调控心脏代谢功能

包括乙酰化、琥珀酰化等在内的蛋白质酰化修饰参与了广泛的代谢调节功能。2016年，康奈尔大学的林和宁教授团队与景杰生物合作，结合代谢组、琥珀酰化修饰组学分析，揭示了SIRT5和琥珀酰化在心脏代谢功能上的重要作用。

乙酰辅酶A和琥珀酰辅酶A是重要的细胞内代谢物，涉及包括TCA循环在内的多种代谢途径。研究人员首先使用代谢组学，发现不同的组织具有组织特异性的的酰基辅酶A谱，其中琥珀酰-CoA是心脏中最丰富的酰基-CoA。

图2-1 主要小鼠器官 (肝脏、心脏、肾脏、大脑、肌肉等) 中的酰基辅酶A浓度的代谢组分析

通过对比去琥珀酰化酶Sirt5WT和KO小鼠不同组织中的蛋白质赖氨酸琥珀酰化，表明观察到的超琥珀酰化是由SIRT5缺乏而不是由增加的琥珀酰供体产生的。SIRT5的去琥珀酰酶活性 (而不是去乙酰化酶及戊二酰化酶活性) 在心脏中起非常重要的作用。

图2-2 不同组织赖氨酸琥珀酰化、乙酰化的蛋白质印迹分析

琥珀酰化修饰组学技术对比WT和Sirt5KO小鼠的心脏，鉴定到124个受到Sirt5调节的琥珀酰化蛋白。其中，脂肪酸代谢相关的ECHA蛋白上被鉴定到了28个琥珀酰化位点，其活性在Sirt5敲除鼠的心脏中降低，进而影响了心脏ATP的水平。动物实验最终表明这种调节作用与肥大型心肌病有关。

图2-3 WT和Sirt5 KO小鼠心脏组织的琥珀酰化修饰组学分析

总结：代谢重塑是肿瘤等疾病的典型特征，功能多组学尤其适合于蛋白功能调节的新机制研究。其应用思路主要为：通过分析丰度异常的代谢物(4D代谢组学)，异常表达的代谢酶 (4D蛋白组学)，以及相关酰化修饰 (4D修饰组学)，挖掘代谢物→蛋白修饰→蛋白功能的新型调控机制。

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参考文献1. Jacob M. Wozniak, et al., 2020. Mortality risk profiling of Staphylococcus aureus bacteremia by multi-omic serum analysis reveals early predictive and pathogenic molecular signatures. Cell.2. Sadhukhan, S.,et al. 2016. Metabolomics-assisted proteomics identifies succinylation and SIRT5 as important regulators of cardiac function. PNAS.
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