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代谢组+蛋白组,距离真相更近一步

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    发表于 2016.11.24 10:11:22 | 显示全部楼层 |阅读模式
    上一期我们介绍了代谢组与转录组联合分析的方法与案例(戳这里查看~),发现将代谢组与转录组联合运用,不仅可以从代谢物层面直接检测生物体在环境变化或外界胁迫下发生的变化,更能从转录组上找出代谢物发生变化的转录层面上的原因。是不是感觉任通二脉都打通了呢?



    其实,在转录组与代谢组之间还有一环,就是蛋白组。与转录组相比,蛋白组更能够直接反映机体在环境变化时最后发挥功能的蛋白信息,因此,当检测代谢物发生变化时,往上寻找代谢通路上的酶蛋白是否发生表达量变化,一方面可以从两个组学相互验证该代谢通路确实发生了变化,另一方面也更容易找出代谢物发生变化的原因,解释生物体生长发育、环境响应、生理状态、病理应答的分子机制。


    下面我们就通过一篇cancer research的文章案例,来看看代谢组与蛋白组是如何联合分析、解决生物学问题的。

    文章题目

    代谢组和蛋白组联合分析揭示肾癌分级依赖的代谢重构[1]Grade-dependent metabolic reprogramming in kidney cancer revealed by combined proteomics and metabolomics analysis.



    研究背景与目的

    肾癌(RCC)通常伴随着多发的系统损害,因此被称为“内科医生的肿瘤”,提示其存在着复杂的、非生理的代谢通路,然而目前还缺乏有效的治疗靶标。本文对不同分级(Fuhrman Grade)的肾癌组织进行了代谢组与蛋白组的联合分析,研究肾癌组织在不同分级中的代谢通路重构,为临床个性化治疗和新药研发提供潜在的靶点。

    实验材料与样本设计


    不同分级(G1,G2,G3,G4)的肾癌细胞系,和健康肾小管细胞对照。

    研究结果

    1.厌氧糖酵解/乳酸发酵显著上调

    固体肿瘤通常利用厌氧糖酵解/乳酸发酵途径(也称瓦伯格效应,Warburg effect)来提供肿瘤细胞生长的能量。代谢组学分析发现,与厌氧糖酵解/乳酸发酵相关的代谢产物(葡萄糖、葡糖-6-磷酸、果糖-6-磷酸、乳酸)在高分级的肾癌细胞中显著上调。同时,参与该代谢通路的相关酶(GAPDH、PKM2、烯醇酶、LDHA)也在高分级的肾癌细胞中表达量显著上调。此外,控制丙酮酸进入三羧酸循环(TCA)的关键酶丙酮酸羧化酶(PC)在所有分级的肾癌细胞中显著下调,这些结果证明了肾癌细胞利用Warburg effect提供能量,而不是正常细胞的TCA循环。


    图1 厌氧糖酵解/乳酸发酵途径在不同分级的肾癌细胞中上调。绿色:代谢物;橙色:酶;红色箭头:上调通路;蓝色箭头:下调通路


    2.脂肪酸β-氧化显著下调

    肿瘤细胞通过氧化脂肪酸来满足细胞生长的能量需求。代谢组分析结果发现,短链游离脂肪酸的浓度随着分级的增加而下降,而肉毒碱和酰基肉碱在所有分级肿瘤组织中上调。同时,β-氧化过程中的大部分酶在高分级肿瘤组织中表达下调,表明肾癌组织中乙酰辅酶A的氧化反应下调,从而导致了酰基肉碱的积累。


    图2 肾癌组织中酰基肉碱上调,β-氧化下调

    3.谷氨酰胺代谢重构进入抗氧化途径

    谷氨酰胺代谢通路在包括肾癌在内的很多肿瘤中都很重要,为细胞生长提供足够的碳代谢循环。蛋白组检测发现所有催化谷氨酰胺进入TCA循环和尿素循环的酶的表达量都发生下调,而谷氨酰胺进入GSH和GSSG代谢通路的代谢物水平随着分级的增加而增加,表明谷氨酰胺代谢重构进入GSH/GSSH途径,从而减弱氧化压力,有助于肿瘤细胞生存。


    图3 谷氨酰胺代谢重构进入GSH/GSSH抗氧化途径

    4.TCA循环被削弱


    TCA循环上游的三个主要通路,即糖酵解、脂肪酸代谢和谷氨酰胺途径在肾癌组织中均发生了重构,导致TCA循环显著下调。


    图4 TCA循环显著下调

    5.色氨酸代谢途径重构产生抗炎症代谢物


    色氨酸抗炎症代谢物犬尿氨酸和羟基喹啉铜在肾癌组织中显著上调,而催化色氨酸进入其他代谢通路(包括血清素和吲哚)的酶的活性显著下调。


    图5 色氨酸代谢途径重构产生抗炎症代谢物

    结论

    本文通过蛋白组与代谢组联合分析,揭示了肾癌组织分级依赖的能量代谢通路的变化(图6),即瓦伯格效应增强,同时削弱脂肪酸氧化、TCA循环等氧化代谢途径;谷氨酰胺代谢减弱了ROS反应;色氨酸代谢增强产生免疫抑制代谢物。这些研究结果为肾癌的靶向治疗提供了潜在的靶标。


    图6 肾癌组织分级依赖的能量代谢通路变化

    参考文献:
    [1] Wettersten H I, Hakimi A A, Morin D, et al. Grade-dependent metabolic reprogramming in kidney cancer revealed by combined proteomics and metabolomics analysis[J]. Cancer research, 2015, 75(12): 2541-2552.

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    发表于 2016.12.21 14:52:39 | 显示全部楼层
    关联分析两个组学好难啊
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