重磅综述（IF=17.363）| 解锁代谢组学与蛋白质组学在2型糖尿病研究进展中的重要作用

迈维代谢

2022.7.12

武汉迈特维尔生物科技有限公司

●发表单位：哈佛医学院

●发表期刊：Circulation Research

●影响因子：17.367

●发表时间：2020.03

全球2型糖尿病(T2D)负担的持续增加及其包括心血管疾病在内的并发症也在增加，了解糖尿病的代谢紊乱的原因至关重要。代谢组学和蛋白质组学在高通量技术的最新进展的推动下，使我们对T2D的循环生物标志物有了前所未有的了解。这些标志物可能是糖尿病筛查、诊断和预后的有效工具。作为代谢途径的参与者，代谢物和蛋白质标记物也可能突出参与了T2D发展的途径。代谢组学和蛋白质组学与基因组学在多组学策略中的结合提供了一种分析方法，可以开始破译因果关系。这些方法并非没有它们的局限性；然而，经过仔细的研究设计和样本处理，这些方法是可以用于T2D研究的强大的科学工具。作为代谢通路的参与者，代谢物和蛋白质标志物也可能突出T2D发育过程中涉及的通路。这篇综述目的是及时地概述在大规模人群研究中观察到的T2D循环代谢组学和蛋白质组学的发现，为读者提供这些新兴研究领域的一个概览。

1.糖尿病患者护理中的挑战

据预测，到2040年，全世界将有6.42亿成年人患有糖尿病——其中绝大多数将是2型糖尿病。这一生活方式疾病全球负担的空前增加将伴随着死亡率和伤残率的上升，特别是在成年人最高发的年龄段。一项包括南美、北非、南亚和东亚、中东和俄罗斯的多国观察性研究估计，≈50%的微血管并发症(如视网膜病变、肾病和神经病)和≈30%的大血管并发症(包括冠心病和外周血管疾病)的患病率。在动脉粥样硬化性心血管疾病方面，T2D使心血管事件和死亡的风险增加2到4倍，下肢截肢的风险类似地增加，并且是心力衰竭的主要可改变的危险因素。据估计，患有T2D.6T的人中三分之二的死亡是心血管疾病造成的，这意味着医疗支出增加了2到3倍。

通过有效的预防和治疗，糖尿病的并发症和相关的医疗费用可以在很大程度上避免。改变饮食和增加体力活动已被发现比药物疗法(如二甲双胍)更有效地延缓并有可能预防糖尿病。然而，很难确定有风险的个人，因为与糖尿病发展相关的代谢功能障碍在血糖升高之前几十年就开始了。此外，并不是所有血糖升高的人都会发展为糖尿病。

也有证据表明，糖尿病的临床表现和病程具有明显的异质性。利用临床数据的无监督聚类分析以及遗传学和结果数据，Ahllqvist等人19最近在传统上被认为是T2D的个体中发现了5个新的糖尿病亚群。他们确定了两组个体，分别为严重的自身免疫性糖尿病和严重的胰岛素缺乏性糖尿病，其特征与1型糖尿病更为相似，包括较低的体重指数，较高的糖尿病酮症酸中毒率，以及更快的胰岛素治疗进展，尽管其中一组没有抗体阳性。这些群体分别占研究中包括的队列的6-14％和9-15％。另一个被鉴定为严重胰岛素抵抗的糖尿病组，有更高的进展为慢性肾脏病的风险，并有增加冠状动脉事件风险的趋势，占研究队列的11-17%。最后两个群组，即轻度肥胖相关糖尿病（MOD）和轻度年龄相关糖尿病（MARD）似乎有更温和的代谢紊乱和疾病过程，占研究队列的18-23％和34-47％。需要进一步研究，以确定采用这种特定的分类系统，或其他利用普遍可用的临床信息的方法，是否能影响临床结果。然而，提高我们识别发展特定并发症风险最高的个体的能力，在临床上越来越重要，特别是随着越来越多的证据表明，使用特定的T2D药物会产生有利的心血管和肾脏结果。毫无疑问，成功识别个人预后的策略将使临床医生能够正确选择治疗策略，并有效地分配有限的医疗资源。

2.需要新的糖尿病生物标志物

生物标志物可以成为管理疾病的有力工具。对于T2D，血浆葡萄糖（空腹或葡萄糖耐量试验后测量）和血红蛋白A1c（HbA1c）可作为诊断和筛查的生物标志物，在怀疑有糖尿病时或在其他健康和无症状的个体中确认其存在。生物标志物还可以提供对疾病预后的了解，如糖尿病进展的可能性或并发症的发展，以及预测，如识别预期从特定疗法中获得有利结果的人和那些不会的人。药效学或反应性生物标志物也有助于识别那些对医疗疗法有生物反应的人。安全性生物标志物可以识别那些因该疗法而导致毒性或伤害风险增加的人。

如前所述，对于有患糖尿病风险的人来说，迫切需要更好的T2D预后生物标志物，以便医疗资源可以集中在这些人身上进行疾病预防。由于治疗效果的个体内差异性，预测和反应生物标志物也将对指导治疗选择的临床决策有极大帮助。考虑到现有的T2D新药可能会使这些人的风险增加，例如ASCVD或肾脏疾病，识别这些人的预后生物标志物同样重要。确定这些T2D药物的安全生物标志物也是必要的，因为这些疗法中的一些具有不常见但严重的副作用，可能导致生命或肢体的损失。

3.循环代谢物和蛋白质作为候选生物标志物

代谢组学的目的是测量细胞、组织、器官和生物系统中的代谢物浓度，以系统地研究参与代谢的化学过程。同样，蛋白质组学的目的是对参与生物体生物过程的所有蛋白质进行量化和定性。这些不应该被认为是相互排斥的研究领域，而是生化分析的连续体，其重点--当包括肽组学时--在于描述遗传转录的分子产品。这些产物可以是一个单一的化合物（即一个氨基酸，如天冬氨酸），一个由几个成分组成的结构（即一个二肽，如天冬氨酸），或一个由多个肽组成的蛋白质（即一个酶，如天冬氨酸转氨酶），但由于分子大小不同，需要不同的技术来识别和量化。代谢物和蛋白质作为代谢性疾病的生物标志物特别有吸引力，因为它们经常参与疾病的途径，导致其浓度的缺乏或积累，可以作为疾病存在的信号。自20世纪90年代以来，串联质谱法已被用于新生儿筛查，以测量先天性代谢错误中积累的多种代谢中间产物（即苯丙酮尿症中的苯丙氨酸和酪氨酸以及中链酰基CoA脱氢酶缺乏症中的酰基肉碱和中链脂肪酸）。采用这些技术进行全国性的筛查表明，代谢物生物标志物有足够的敏感性和特异性用于临床，而且测量它们的方法是可扩展和经济的。

此外，代谢组学现在已经与外显子测序结合使用，以确定新形式的先天性代谢错误，并将基因突变与它们扰乱的代谢途径联系起来。最近，欧洲内分泌学会将气相色谱质谱法测量的未成熟类固醇生成尿液代谢物的升高描述为一种有希望的微创方法（与活检相比），以区分良性肾上腺腺瘤和恶性癌。对这些尿液代谢物的检测也可能有助于将这些患者根据目前标准护理指南而接受的反复监视计算机断层扫描成像的辐射暴露降至最低。这表明，代谢物可以作为预后的生物标志物，一旦得到验证，可以纳入医疗决策算法。T2D非常适合代谢组学和蛋白质组学研究，因为它是一种多基因的代谢性疾病，有行为和环境因素的重大贡献。在越来越大的全基因组关联研究（GWAS）中发现的大多数T2D相关的遗传变异对糖尿病风险的贡献不大。在一项包括近100万欧洲人的研究中，发现的300多个常见的遗传变异只占糖尿病表型变异的16%，而80个低频变异占1%。36这表明非遗传因素，包括决定个人饮食和体育活动的行为、环境暴露和潜在的人类微生物组也在疾病发展中发挥重要作用。代谢物和蛋白质的浓度是基因转录的下游产品，可受这些其他因素的影响，为这些疾病的综合因素提供了更完整的生物读数。这有助于绘制完整的人类代谢组和蛋白质组图谱，类似于基因组学的发展使人类基因组图谱得以绘制。

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发现循环生物标记物的代谢组学和蛋白质组学技术的比较

4.糖尿病中的代谢组学

在过去的十年中，有越来越多的文献报道了T2D在代谢组学研究中的进展。靶向方法和非靶向方法都已被使用，前者测量一组确定的已知代谢物，后者测量所有存在的代谢物，包括那些以前从未被注释的代谢物。以下思维导图总结了与T2D患病呈正相关的代谢物。

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与T2D患病呈正相关的代谢物总结

循环代谢物不仅是由细胞和组织代谢产生的内源性物质，而且还可以来自饮食或异物--通过食品防腐剂或容器、环境暴露或人类微生物组引入的外来化学物质。随着高通量技术测量的代谢物数量的增加，人们也越来越认识到这些外源性的代谢物可能在T2D的发展中起作用。在ARIC研究中，发现赤藓糖醇是一种食品添加剂，与糖尿病的发生显著相关。人们对识别环境中干扰内分泌的化学物质也越来越感兴趣，例如农药的代谢物，包括多氯联苯、氧氯丹或反硝胺，或序氯二苯三氯乙烷（p,p''-DDE），已经用GC-MS在人类血清和尿液中测量。在一些人类队列研究中，这些持久性有机污染物的水平较高，与流行性或事件性糖尿病有关。微生物组是生物活性代谢物的另一个潜在来源，并且经常与饮食成分有关。例如，在芬兰糖尿病预防研究的一个亚群中，利用非靶向LC-MS血清代谢物分析发现，酪氨酸微生物群代谢物吲哚丙酸的浓度与T2D的发展成反比，并与总纤维和全谷物的摄入量成正比。饮食干预试验的高通量代谢物分析，如PREDIMED研究（Prevencióncon Dieta Mediterránea）中进行的分析，也揭示了与饮食有关的代谢物特征，这些特征反过来又与有益的心血管和代谢结果有关。

5. 糖尿病中的蛋白质组学

蛋白质是基因转录和转录后修饰的最终产物，在疾病机制的研究中发挥着关键作用。利用单或多克隆抗体与报告基因的亲和性(通过发光、荧光、放射性或酶活性(在ELISA中))的亲和性分析仍然是鉴定和定量蛋白质存在的金标准。在人类队列研究中，这些技术被用来揭示脂联素、瘦素、性激素结合球蛋白和维生素E结合蛋白的循环水平与T2D风险的关系。根据抗体的特异性，这些分析可以定量，具有较高的精度和准确性，并在临床中常规使用。

MS技术已成功地用于检测和定量蛋白质，如Galectin-1和ApoA-1，在患有T2D的个体中，前者较高，后者较低。这项技术可用于靶向方法，其中同位素标记的合成肽允许识别具有高特异性的蛋白质。它也可以无偏或无目标的方式使用，类似于在WhiteHall-II队列中用于识别与事件T2D相关的蛋白质的方法，用于同时无偏地测量几个分析物，即使在低丰度浓度下也是如此。蛋白质图谱技术的最新发展提高了现在可以测量的循环蛋白质的效率和数量。利用多重抗体和/或新型亲和试剂的基于亲和力的方法的发展极大地扩大了可以定量的蛋白质的数量。目前常用的两种高通量技术包括使用核酸亲和试剂(适配子)或核苷酸标记抗体。对于适配子，例如SomaLogic平台上使用的适配子，利用寡核苷酸可以实现的各种结构确认与目标蛋白质表位结合，以促进蛋白质的检测和定量。抗体的核酸标记，如Olink平台中使用的方法，也允许使用聚合酶链式反应(PCR)技术来扩增、检测和定量蛋白质。互补DNA寡核苷酸序列自然倾向于退火并用作PCR模板，这一趋势已被用于邻近延伸分析(PEAS)以提高抗体介导的蛋白质鉴定的特异性，特别是在高通量方法中。适配子或核酸标记抗体的结合特异性仍然是这些技术的最大限制之一，下图描述了这些方法的工作流程。

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不同高通量蛋白质组学技术的工作流程

瑞典的一项研究利用核酸标记的抗体和邻近延伸试验确定了7种与胰岛素抵抗的稳态模型评估相关的循环蛋白，包括组织蛋白酶D的新关联，以及先前报道的瘦素、肾素、IL-1ra(白细胞介素1受体拮抗剂)、肝细胞生长因子、FABP4(FA结合蛋白4)和tPA(组织型纤溶酶原激活剂)的蛋白。其中，IL-1ra和tPA也与糖尿病发病呈正相关；然而，在调整空腹血糖后，这些关联完全减弱。孟德尔随机分析也表明胰岛素抵抗对tPA抗原水平可能有影响。在瑞典最近的一项更大规模的横断面研究中，发现29种蛋白质与流行的糖尿病有关，错误发现率<5%。然而，在孟德尔随机分析中，没有发现这些与糖尿病有因果关系。最近的一例MS蛋白质组学分析，结合二维凝胶电泳，在一小部分正常血糖瘦削、正常血糖腹型肥胖、糖尿病前期和糖尿病韩国人中进行了研究，结果显示，与正常个体相比，腹部肥胖或胰岛素抵抗患者的AAT/SERPINA1(丝氨酸肽酶抑制因子A1)、HP(结合珠蛋白)、ZAG(锌-α2-糖蛋白)、APOA1和RBP4(视黄醇结合蛋白4)水平较高，而GIG25/ACT/SERPINA3(生长抑制蛋白25)、ALB(白蛋白)和TTR(跨胸腺视黄醇)水平较低。

6. T2D糖尿病与心血管疾病的关系

代谢组学和蛋白质组学也被用来研究心血管疾病的生物标记物。这些发现揭示了一些潜在的共同代谢途径，涉及胰岛素抵抗、T2D和心血管疾病。比如，支链氨基酸和支链氨基酸相关的代谢物与冠状动脉疾病呈正相关，谷氨酸/谷氨酰胺和几种酰基肉碱的表达水平也被证明，即使在调整了包括体重指数和糖尿病在内的临床因素后，其在冠心病患者和对照组患者之间的差异仍然存在。对于脂类，特定的LPC和鞘磷脂种类与冠状动脉疾病相关，而含有不饱和FAs的LPC和LPC血浆原水平较高，以及含有二酰甘油、鞘磷脂和神经酰胺的PC水平较高，而含有饱和FAs的LPC和LPC血浆原水平降低与冠状动脉疾病的发病率增加有关。

关于蛋白质，在对美国旧金山患有稳定冠心病患者的一项研究中发现，200种蛋白质与心血管事件相关，包括几个与T2D相关的家族(如白细胞介素、组织蛋白酶和fa结合蛋白)。蛋白酶SERPINA3是被纳入临床风险预测模型的9个蛋白质中的1个，该模型改进了先前建立的临床风险因素，这些发现可能会开始强调一些重要的代谢途径，这些代谢途径可能被用来阐明T2D相关心血管疾病的机制。

7.未来的发展方向

代谢物和蛋白质是代谢途径的参与者，代谢组学和蛋白质组学的研究提供了关于在疾病状态下受到干扰的代谢物和蛋白质浓度的丰富信息。然而，目前的挑战是如何将这些数据组织成有意义的路径，并成功地优先考虑相关的关联，以促进进一步的科学发现。主要从3个方面入手：（1）遗传因素对循环代谢产物和蛋白质浓度的影响；（2）生物标记物与多组学的结合可以揭示疾病之间的因果关系；（3）发现新的非靶向小分子。

代谢组学和蛋白质组学是用来研究T2D生物标志物的强大技术。代谢组学与基因组学和其他组学数据的结合可以帮助阐明疾病发展的途径，而随机对照试验中的图谱可以提供有关治疗效果或反应的信息。与心血管疾病重叠的发现也强调了可能解释T2D相关心血管发病率和死亡率的共同途径。然而，必须在技术选择、研究设计、样品准备和数据分析方面给予极大的关注，以获得信息丰富的结果，从而进一步促进T2D的临床治疗以及对T2D的科学理解。