代谢组学相关的医学杂志

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科技名词定义中文名称：基因组学 英文名称：genomics 定义1：研究基因组的结构、功能及表达产物的学科。基因组的产物不仅是蛋白质，还有许多复杂功能的rna。包括三个不同的亚领域，即结构基因组学、功能基因组学和比较基因组学。 应用学科：生物化学与分子生物学（一级学科）；总论（二级学科） 定义2：研究生物体全基因组dna的序列和属性的学科。包括在dna（基因型）、mrna（转录物组）和蛋白质（蛋白质组）水平上研究细胞或组织的所有基因。 应用学科：细胞生物学（一级学科）；总论（二级学科） 定义3：研究生物体基因组的组成、结构与功能的学科。 应用学科：遗传学（一级学科）；总论（二级学科） 基因组研究应该包括两方面的内容：以全基因组测序为目标的结构基因组学（structural genomics）和以基因功能鉴定为目标的功能基因组学（functional genomics)，又被称为后基因组（postgenome）研究，成为系统生物学的重要方法。 基因组学能为一些疾病提供新的诊断，治疗方法。例如，对刚诊断为乳腺癌的女性，一个名为“oncotype dx”的基因组测试，能用来评估病人乳腺癌复发的个体危险率以及化疗效果，这有助于医生获得更多的治疗信息并进行个性化医疗。基因组学还被用于食品与农业部门。 基因组学与遗传学发展里程碑基因组学的主要工具和方法包括： 生物信息学，遗传分析，基因表达测量和基因功能鉴定。 基因组学出现于1980年代，1990年代随着几个物种基因组计划的启动，基因组学取得长足发展。 相关领域是遗传学，其研究基因以及在遗传中的功能。 1980年，噬菌体 φ-x174;(5,368 碱基对)完全测序，成为第一个测定的基因组。 1995年，嗜血流感菌（haemophilus influenzae，）测序完成，是第一个测定的自由生活物种。从这时起，基因组测序工作迅速展开。 2001年，人类基因组计划公布了人类基因组草图，为基因组学研究揭开新的一页。 基因组学是研究生物基因组的组成,组内各基因的精确结构、相互关系及表达调控的科学。基因组学、转录组学、蛋白质组学与代谢组学等一同构成系统生物学的组学（omics）生物技术基础。 基因组研究应该包括两方面的内容：以全基因组测序为目标的结构基因组学（structural genomics）和以基因功能鉴定为目标的功能基因组学（functional genomics)，又被称为后基因组（postgenome）研究，成为系统生物学的重要方法。编辑本段功能基因组学基因组dna测序是人类对自身基因组认识的第一步。随着测序的完成，功能基因组学研究成为研究的主流，它从基因组信息与外界环境相互作用的高度，阐明基因组的功能。功能基因组学的研究内容：人类基因组 dna 序列变异性研究、基因组表达调控的研究、模式生物体的研究和生物信息学的研究等。 (1)基因组表达及调控的研究。在全细胞的水平，识别所有基因组表达产物mrna和蛋白质，以及两者的相互作用，阐明基因组表达在发育过程和不同环境压力下的时、空的整体调控网络。 (2)人类基因信息的识别和鉴定。要提取基因组功能信息，识别和鉴定基因序列是必不可少的基础工作。基因识别需采用生物信息学、计算生物学技术和生物学实验手段，并将理论方法和实验结合起来。基于理论的方法主要从已经掌握的大量核酸序列数据入手，发展序列比较、基因组比较及基因预测理论方法。识别基因的生物学手段主要基于以下的原理和思路：根据可表达序列标签(sts)；对染色体特异性cosmid进行直接的cdna选择；根据cpg岛；差异显示及相关原理；外显子捕获及相关原理；基因芯片技术；基因组扫描；突变检测体系，等等。 （3）基因功能信息的提取和鉴定。包括：人类基因突变体的系统鉴定；基因表达谱的绘制；“基因改变-功能改变”的鉴定；蛋白质水平、修饰状态和相互作用的检测。 （4）在测序和基因多样性分析。人类基因组计划得到的基因组序列虽然具有代表性，但是每个人的基因组并非完全一样，基因组序列存在着差异。基因组的差异反映在表型上就形成个体的差异，如黑人与白人的差异，高个与矮个的差异，健康人与遗传病人的差异，等等。出现最多基因多态性就是单核苷酸多态性(snps)。 （5）比较基因组学。将人类基因组与模式生物基因组进行比较，这一方面有助于根据同源性方法分析人类基因的功能，另一方面有助于发现人类和其他生物的本质差异，探索遗传语言的奥秘 。编辑本段结构基因组学结构基因组学是继人类基因组之后又一个国际性大科学热点，主要目的是试图在生物体的整体水平上（如全基因组、全细胞或完整的生物体）测定出（以实验为主、包括理论预测）全部蛋白质分子、 结构基因组学与蛋白折叠蛋白质－蛋白质、蛋白质－核酸、蛋白质－多糖、蛋白质－蛋白质－核酸－多糖、蛋白质与其他生物分子复合体的精细三维结构，以获得一幅完整的、能够在细胞中定位以及在各种生物学代谢途径、生理途径、信号传导途径中全部蛋白质在原子水平的三维结构全息图。在此基础上，使人们有可能在基因组学、蛋白质组学、分子细胞生物学以致生物体整体水平上理解生命的原理。 对疾病机理的阐明、对疾病的防治有重要应用意义。发展回顾1998年4月,由美国国家医学科学院（nigms）和wellcome trust发起在英国召开了第一次国际结构基因组会议，美国、法国、英国、德国、加拿大、日本、荷兰、意大利以及以色列的9国科学家参加了会议。2000年9月，美国nigms决定首批投入亿美元，在美国建设7个研究中心（目前已经发展成为10个），争取在未来10年内解出1万个蛋白质的三维结构，建立蛋白质的氨基酸残基序列、三维结构和生物功能之间的有机联系，同时也支持结构基因组方法学的研究。2002年，10家大型国际制药公司宣布启动结构基因组研究。2000年11月，日本组织召开国际会议讨论结构基因组计划的有关问题，确定了完成测定3000个蛋白质三维结构的“protein3000计划”。2001年4月，在美国召开了第二次国际结构基因组会议,表明新一轮大规模的国际合作研究已经开始。主要进展我国在结构生物学研究方面具有较好的基础。60年代，我国科学家在世界上首次人工合成了胰岛素；70年代初又测定出 埃; 分辨率的猪胰岛素三维结构，成为世界上为数不多的能够测定生物大分子三维结构的国家，这些研究工作处于当时的世界先进水平。在国际结构基因组研究刚露端倪之时，我国科学家就敏感地抓住了这一新动向，2000年我国开展了结构基因组学的研究。近来，国家863计划、973计划、中国科学院知识创新工程、国家重大攻关项目、自然科学基金先后重点资助了结构基因组学的研究工作和相关技术平台的建设。相关研究工作既有分工、又有交叉合作，并充分地考虑到了我国基因组水平研究的特点和我国在结构解析方法研究在国际上的地位。并计划在参加国际合作的基础上，在逐步建立基因组研究技术平台的同时， 相关图书《药物基因组学 》五年之中完成200－300个蛋白质三维结构的测定。 我国的结构生物学研究队伍近年来不断发展壮大，中国科学院生物物理所、中国科技大学、北京大学、清华大学以及中国科学院物理所、高能所、上海生命科学院、福州物质结构所、上海复旦大学等单位均是我国开展结构基因组研究的重要基地。 我国结构基因组学研究虽然启动时间较短，但已经获得了不少重要进展。 据初步统计，已经完成了近千个克隆，已表达出210个蛋白质，其中有100多个可溶或部分可溶；获得近30个结晶和nmr样品，已经测定出5个结构。

研究对象 ：肝脏肥大细胞(CCH)的肝切除（Phx） 标题 ：肝再生过程细胞代谢路径的重构 期刊 ：Developmental Cell（IF=） 发表时间 ： 关键词 ：肝脏再生，转录组学，代谢组学，高级分子影像学，线粒体氧化线肝脏疾病与肝细胞分裂能力下降密切相关，并且细胞代谢对组织稳态和再生很重要。由于代谢变化是肝脏疾病的标志，因而对代谢和细胞分裂之间的联系进行了研究。运用转录组学、代谢组学分析以及功能性氧化还原体内成像技术，确定了肝脏再生过程不同阶段的全局性代谢变化。结果表明，再生期间阻断肝细胞分裂导致线粒体功能障碍和氧化途径的下调。这导致氧化还原比率增加和线粒体功能受损，并引起丙氨酸转氨酶的活性增强，使得丙酮酸产生丙氨酸和α-酮戊二酸的流量增加。总的说来， 肝再生过程中，细胞分裂导致肝脏代谢重塑。此外，肝细胞具有灵活的代谢机制，能够动态适应组织再生过程中的变化。 细胞和有机体肝脏再生过程的生理变化 该研究使用切除2/3肝脏质量的小鼠模型(PHx)，使用鬼笔环肽和DAPI对冷冻切片进行染色来呈现再生过程不同阶段（图1A）中肝细胞大小的变化（图1B）。 图1 野生型小鼠肝脏再生的生理学变化 肝脏切除后细胞尺寸的变化如图1C，在36 h达到峰值，然后又慢慢降低。图1D中36 h的细胞存在两个肝细胞群，而其他时间点仅有一个细胞群，这表明在36 h肝细胞群可能存在异质性。在研究细胞周期时（图1E），确定了两个重要基因的表达––––细胞周期蛋白依赖性激酶1(Cdk1)和细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂(p21CIP1/WAF1）。Cdk1是细胞分裂的必需激酶，其缺失肝细胞将不会分裂。如图所示，Cdk1的RNA水平36 h达到峰值并在168 h回到基线，表明这段时间的细胞分裂很重要。相反，p21CIP1/WAF1的RNA水平在8 h相较于0 h增加，在36 h（DNA复制期）一直保持很低的水平（图1F）。 另外,该研究测量了肝损伤和代谢的两个替代指标––––血清中丙氨酸转氨酶（ALT）和葡萄糖的水平。8h的ALT比0 h增加24倍，随后逐渐恢复到初始水平（图1G）。在肝再生的起始阶段(8 h)总葡萄糖大概降低到初始阶段的一半，然后在168 h时恢复到0 h的水平。这些结果均表明肝脏再生伴随着转氨酶和葡萄糖代谢的变化。 转录组学结合体内分子成像技术揭示肝再生过程中生物氧化的变化 该研究使用RNA-seq确定mRNA的表达量，以此来探究与肝再生相关的代谢途径。统计学分析表明显著变化有60个途径，其中24个含有最具代表性的基因组（图2A）。 图2 肝再生过程中的肝细胞分裂伴随着NADH和FAD的增加 由于通过基因表达数据确定氧化代谢的变化存在一定的局限，本研究使用活体成像技术来分析小鼠的代谢。如图2B所示，NADH在肝再生期间持续的增加，表明NADH在肝脏分裂和组织恢复中起作用。总FAD显示出类似的趋势(图2C和图2F)。此外，通过生物化学法测定脱朊样品中总NADH(图2G)和NADPH(图2H)，结果表明NADH在肝再生过程中表现出持续的增加，而NADPH在8 h时达到峰值，随后降低。这些结果表明活体成像能够用于肝再生期间氧化还原力的测量，并且在野生型动物的肝再生过程中NADH起主导作用。 此外，该研究测量了NAD+依赖型的谷氨酰胺合酶（Nadsyn1）和烟酰胺磷酸核糖转移酶（Nampt）的基因表达(图2I和图2J)，它们分别参与NAD+的从头合成和补救途径。96 h这两种酶的mRNA表达量均达到最高。图2K中，0 h 到8 h谷胱甘肽过氧化物酶(Gpx3) 的表达量增多，这与NADPH的变化趋势一样，而过氧化氢酶(Cat) (图2L)和超氧化物歧化酶(Sod1) (图2M)的mRNA水平大体上是减少的。总之，这些结果表明生物氧化过程在肝再生过程中发挥不同的作用：肝脏再生的初始阶段需要氧化压力，之后对于NADH的需求增加，后期组织损伤得以消退。 抑制肝细胞分裂导致氧化代谢减少和氧化还原比增加 肝切除之前，与WT相比, 肝细胞代偿性肥大(CCH)的小鼠的ALT活性约是WT的2倍，8 h后活性最高，然后在96 h恢复到初始水平(图3A和1G)。然而，在每个时间点，CCH中ALT活性均高于WT，表明CCH的肝损伤比WT小鼠更严重。相较于WT小鼠，CCH小鼠的血糖水平明显减少，并且一直保持在较低的水平直到168 h才恢复到正常水平(图3B和1H)。此外，图像分析表明，36 h的CCH细胞大小是WT的3倍(图3C,3E)。代谢通路分析结果表明下调途径大多为代谢反应，氧化途径的下调更加显著，并且这一现象在CCH中比WT中更加明显（图3D）。 图3 肝细胞补偿性肥大的小鼠肝再生过程中氧化作用减少 通过CCH与WT的转录组学分析，揭示CCH小鼠生理学变化的根本原因。研究发现848()个基因的表达变化倍数大于2，2305个基因(17%)的变化倍数大于。 为了进一步验证氧化代谢的减少，然后该研究使用活体成像技术来对CCH和WT中NADH和FAD进行定量（图3E-3H）。FAD在再生过程中略微增加，但NADH在8 h和36 h明显下降（图3I），然后在96 h恢复到初始水平（图3J）。在WT肝脏再生期间，氧化还原比接近1，这表明细胞处于氧化还原稳态。但是，CCH肝脏中的氧化还原比较高。为研究氧化反应的来源，对NAD+/NADH和NADP+/NADPH进行了测定(图3N和3O)。有趣的是，与0 h相比，再生期间WT小鼠的NAD+/NADH降低，表明线粒体代谢为肝脏再生提供了支持。NADP+/NADPH的比例在8 h和36 h降低，但在96 h增加约3倍。在CCH肝脏中，NAD+/NADH显著升高，表明减少的氧化代谢可能与线粒体代谢的受损有关。 CCH组织再生导致线粒体功能降低 线粒体氧化代谢是肝再生过程所需代谢物和能量的最有效的产生方式。由于线粒体电子传递链（ETC）是NADH和FAD的主要来源之一，因而CCH组织再生受损，并且肝脏的再生速度将慢于WT。但事实上，肝脏再生的速率并未受到严重损害。所以，尽管氧化途径显著减少，CCH的肝再生也能够完成。为了验证这一结论，对CCH再生过程线粒体中的代谢进行了研究。首先分析了OXPHOS蛋白的表达（图4A），在WT（图4B）和CCH（图4C）中复合物II，琥珀酸脱氢酶B（SDHB）的变化较明显。此外，WT中SDHB蛋白浓度与肝脏中的NADH荧光成正相关(图4D)。SDHB是唯一参与TCA和OXPHOS代谢的酶，因此它是线粒体代谢反应的中心酶。图4 CCH组织再生与线粒体代谢受损的相关性然后，该研究使用Seahorse分析原代肝细胞的线粒体呼吸参数。结果表明WT动物的肝细胞（iWT），在肝切除后36 h耗氧率（OCR）显着增加（图4E），其与线粒体呼吸参数的增加相关（图4F）。CCH的肝细胞（iCCH）在肝切除后36 h后无明显增加（图4G），线粒体呼吸参数基本不变（图4H）。这表明WT肝细胞从静止状态（肝切除前）到增殖状态（DNA复制期）伴随着OCR的增加。相反，CCH肝细胞由于Cdk1的缺失而不增殖，因此它们需要替代的代谢变化。将iWT和iCCH肝切除前后的OCR值进行比较时，结果显示iCCH肝细胞的呼吸储备能力显著降低，表明iCCH肝细胞的能量应激能力受损（图4I）。此外，iCCH肝细胞在肝切除36 h基础代谢和ATP相关的呼吸减少，这表明iCCH肝细胞从线粒体呼吸作用产生ATP的能力下降（图4J）。同时通过肝细胞的四甲基罗丹明乙酯（TMRE）染色测定线粒体膜电位，在肝切除之前，与iWT相比，iCCH肝细胞的线粒体中TMRE信号无明显差异（图4K和4L）。但在肝切除36 h，iCCH肝细胞的TMRE信号相较于野生型减少很多（图4M和4N）。这些结果都证实了在肝再生期间，iCCH肝细胞的线粒体代谢反应显著降低。 转录组学和代谢组学整合分析揭示了CCH肝再生引起氨基酸代谢增加 为了解肝再生过程中代谢途径的全局变化并且深入了解其代谢变化，该研究使用QTOF质谱法进行了非靶向代谢组学分析，并且将RNA-seq和QTOF的数据放在一起进行整合分析。 WT与CCH的比较中，通过RNA-seq和代谢组学数据整合分析，结果表明12个途径在所有时间点均有显著改变，表明这些路径是细胞肥大或Cdk1缺失后特有的代谢路径（图5A）。与WT相比，CCH的次级代谢产物和碳水化合物的合成下调，但丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酰胺代谢上调（图5B）。具有mRNA和代谢物的变化的图谱用以描绘再生肝脏的代谢组学的整体变化（图5C）。总体而言，氨基酸代谢包括富马酰乙酰乙酸水解酶（Fah）和精氨基琥珀酸合成酶1(Ass1) 的减少，此外，CREB，Jun，ERK，AKT和AMPK的信号通路也有所增加。 图5 代谢组学和转录组学的整合分析揭露了CCH肝再生过程的代谢重塑 此外，本研究通过LC-MS进行了靶向代谢组学分析（图5D-5I）。CCH中碳水化合物代谢衍生物略微减少，如己糖和磷酸烯醇丙酮酸（图5D和5E），ATP和GMP的水平没有太大的变化（图5F和5G），表明WT和CCH中能量持续不断得产生。这可能是由于存在其他的补偿途径，因为在一般情况下，存在其他途径可以补救减少的氧化代谢。为了证实这一猜测，对苹果酸和天冬氨酸的浓度进行了测定，它们在WT和CCH中水平相当，这可能是由于补偿途径的作用（图5H和5I）。同时，通过qPCR 测定了碳水化合物（图5J-5M）和氨基酸代谢(图5N和5O)中几种酶的mRNA表达，结果表明G6Pase水平在WT中相对恒定，而在CCH中36 h和168 h达到峰值， (图5J)。Pepck和Pfkl大约8 h达到峰值且随后减少(图5K和图5L), 而Pklr是丙酮酸激酶的肝脏同工酶，8-96 h显著降低（图5M），表明碳水化合物代谢可能减少。编码线粒体ALT（Gpt2） 和天冬氨酸转氨酶AST（Got1）的基因表达量在8 h达到峰值，随后在WT和CCH中再生期间降低，表明碳水化合物代谢相关酶表达减少的同时转氨作用相关酶的表达增加。 总之，这些实验结果表明，当肝细胞的细胞分裂减少时，肝NADH减少与氨基酸代谢的增加相关。这些结果表明只有产生于线粒体的NADH可能受到影响，因为氧化还原辅酶可来自其他代谢路径，例如苹果酸-天冬氨酸线粒体穿梭系统。最后，线粒体ALT表达的增加表明丙酮酸转氨酶可能在这一代谢重塑中起重要作用。 代偿性肥大细胞的肝再生导致丙酮酸通量的重塑 代谢组学和转录组学数据的生物信息学整合分析表明，CCH的肝再生过程中，生物氧化和碳水化合物代谢降低，丙氨酸和谷氨酰胺途径增强，这表明碳水化合物向谷氨酰胺利用的转变。因此，测量了AST、丙酮酸羧化酶+丙酮酸脱氢酶（PC + PDH）、乳酸脱氢酶和ALT的代谢通量，它们能分别将葡萄糖生成的丙酮酸转化为乳酸或丙氨酸（图6A）。在所有条件下，AST和PC + PDH均没有什么变化，表明乙酰辅酶A和天冬氨酸水平不受影响。在肝脏切除之前，与WT小鼠相比，CCH中LDH和ALT的代谢通量略微增加，表明两者的代谢通路是相当的(图6B和6C)。与WT相比，肝切除后36 h，ALT代谢通量显着增加(图6E),但LDH却没有增加。这表明CCH在肝组织再生期间，碳水化合物代谢物（丙酮酸）主要用于产生丙氨酸而不是乳酸。 图6 CCH肝脏再生中丙氨酸代谢增加了α-酮戊二酸和葡萄糖的产生 通过LC-MS测量肝再生期间不同时间点丙酮酸转化为丙氨酸和乳酸的相关代谢物。在WT中，α-酮戊二酸，乳酸，谷氨酰胺和谷氨酸的水平在肝再生过程中相当恒定，但丙酮酸和丙氨酸在后期略有下降（图6F）。在CCH中，丙酮酸，乳酸和谷氨酰胺是恒定的，但丙氨酸，α-酮戊二酸和谷氨酸明显增加。除丙氨酸外，在再生期间CCH肝脏中谷氨酸和α-酮戊二酸的含量也增加，这表明当线粒体不能有效工作时，用于合成代谢途径的谷氨酰胺的使用量增加。为了证实这一点，对氨基酸代谢的替代标记----血尿素氮（BUN）进行了测量。结果表明除了168 h，CCH小鼠中BUN均少于WT(图6H)，表明在CCH肝脏中线粒体氧化减少伴随ALT活性增强和丙氨酸的增加，并以此来以维持肝脏再生所需的合成代谢途径。 最后，探究了肝再生过程中ALT活性增强的潜在生理影响。肝脏中丙氨酸的主要功能是进行糖异生。因此，本研究探究了当线粒体代谢受损时， ALT活性的增强是否会影响葡萄糖的浓度。首先进行了丙氨酸耐量试验，在先前禁食的小鼠中注射了大量丙氨酸，并在腹膜内注射后的不同时间点测量了血液中的葡萄糖浓度。在WT小鼠中，丙氨酸注射对葡萄糖水平具有轻微影响，在肝切除后36 h后略微增加，在90 min内恢复正常。在肝切除前的CCH肝脏中，葡萄糖水平与WT相当。与WT小鼠相比有趣的是，在肝切除后36 h，丙氨酸注射后，CCH中血糖水平显著增加，注射120 min后葡萄糖浓度是初始水平的2倍（图6I）。 为了进一步验证这种效应是由ALT活性增强引起的，使用转氨酶抑制剂氨氧基乙酸半盐酸盐（AOA）阻断ALT活性。将AOA注射5天并在CCH和WT同窝小鼠中进行肝切除，然后在肝切除后36 h进行丙氨酸耐量试验。在CCH和WT小鼠中，葡萄糖水平保持不变，表明丙氨酸仅在ALT存在活性时才能够增加血糖浓度。 总结 本文通过转录组学分析、代谢组学分析和活体成像技术来描述肝脏再生的代谢变化，揭示了由线粒体功能受损和细胞氧化减少引起的代谢重塑，特别是当代偿性肥大细胞的肝脏再生时这一现象更加明显。本研究的直接临床意义是使用NAD+补充来调节NADH水平的可能性，以促进组织损伤后的肝细胞分裂或调节丙氨酸水平。