代谢手术相关的组学研究方法及进展

作者:沈奇伟[1] 刘思颖[1] 花荣[1] 许博[1] 邵怡凯[1] 姚琪远[1] 
单位:复旦大学附属华山医院[1]

  技术的发展带来认知的进步,随着组学研究的发展,越来越多代谢手术的相关机制被揭示和关注,但其关键机制仍不清楚,如影响代谢手术效果的因素、代谢手术对内环境的改善、不同手术方式对机体的影响及其作用机制等。随着系统生物学的发展,多组学研究也为我们更加立体地理解代谢手术的作用体系提供了手段。本文将对近年来组学研究在代谢手术相关的各种问题的进展及发现、多组学在代谢手术领域的应用,以及组学常用研究方法和实验设计作一综述。


  肥胖是新世纪人类面对的最重要的健康问题之一,全球有超过6亿成年人和超过1亿青少年面临肥胖的困扰[1]。强化内科治疗对于体重的控制仅有5.3%,且难以实现对于体重以外的代谢异常的改善作用[2]。代谢手术始于20世纪50年代,经过几十年的发展,已经成为治疗肥胖症及相关代谢疾病的一种重要手段。目前常用的手术方式包括袖状胃切除术(sleeve gastrectomy,SG)、Roux-en-Y胃旁路手术(Roux-en-Y gastric bypass,RYGB)、可调节胃绑带术、胆胰分流术等。大量研究表明,SG和RYGB均可以有效地降低体重,并且非体重依赖性地改善糖脂代谢和胰岛素抵抗,对伴有肥胖的2型糖尿病患者,代谢手术在体重、血糖、血压、血脂等指标上的控制上,治疗效果均明显优于强化内科治疗,还可以有效改善多囊卵巢综合征、睡眠呼吸暂停等代谢相关疾病[3,4]。自代谢手术问世以来,大量临床和基础研究试图揭示其减重及代谢改善作用的机制,并且在一定程度上解释了其作用原理,但其核心机制仍未阐明。组学研究始于上世纪80年代,经过几十年的发展,人类已经可以从基因组(DNA序列)、转录组(基因表达),研究到蛋白组学(蛋白产物和编码基因)、代谢组学(代谢通路及代谢产物),并且在此基础上发展出宏基因组学(metagenome-wideassociation study,环境样品所包含的全部微生物的遗传组成及其群落功能)、表观遗传学(基因修饰)、修饰蛋白组学(蛋白修饰)、脂质组学(脂质代谢网络)、菌群组学(细菌种属及与宿主关系)等研究方向[5,6]。技术的发展带来认知的进步,随着组学研究的发展,越来越多代谢手术的相关机制被揭示和关注,但其关键机制仍不清楚,如影响代谢手术效果的因素、代谢手术对内环境的改善、不同手术方式对机体的影响及其作用机制等。随着系统生物学的发展,多组学研究也为我们更加立体地理解代谢手术的作用体系提供了手段。本文将对近年来组学研究在代谢手术相关的各种问题的进展及发现、多组学在代谢手术领域的应用,以及组学常用研究方法和实验设计作一综述。


一、预测代谢手术预后


  虽然代谢手术对于2型糖尿病的缓解成功率可以达到78%~86%,并且能够降低约56%的体重[7],但是仍然有30%~50%的患者手术后不能达到目标体重,另有20%~25%的患者在术后10年体重反弹、发生复胖[8]。因此,代谢手术的预后十分重要。来自中国的回顾性研究,比较了23名术后缓解(无服用口服药物的情况下空腹血糖<7.0 mmol/L、糖化血红蛋白<6.5%)和12名未缓解患者基线、术后6个月和12个月的血液样本,进行蛋白组学研究,寻找评估代谢手术适用性和有效性的生物标志物。研究共发现了73个差异表达产物,其中基线的色氨酸、胆红素、吲哚酚和术后6个月游离脂肪酸FFA16:0、FFA18:3、FFA17:2和马尿酸可以有效地预测代谢手术的预后[9]。脂质组学研究发现,硬脂酸/软质酸比例也预测 RYGB 预后,该研究包含2个队列,队列一包含38名RYGB手术的患者(术前以及术后2年),队列二包含381名18~75岁的上海地区社区患者进行血浆脂质组学分析,发现超长链脂肪酸延伸酶在术后明显升高,进而发现使用硬脂酸/软质酸比例可以良好地在人群中区分出正常体重、超重、肥胖合并或不合并2型糖尿病的患者[10]。也有研究使用回归分析观察代谢手术后7天的血浆标志物如何影响术后3月的代谢改善情况,该研究采用基于磁共振的代谢组学方法(nuclear magnetic resonance,NMR)技术,发现3HB/血糖这一指标可以良好地反应术后3个月的代谢改善[11]。单核苷酸多态性(single-nucleotide polymorphism,SNPs)是指主要是指在基因组水平上由单个核苷酸的变异所引起的DNA序列多态性,是人类最常见的可遗传的变异。由于人类的基因序列并不会随着环境的影响而发生变化,因此SNP研究常常可以发现DNA序列的变化与人类疾病的因果关系,具有更高的研究价值。SNP研究提示,性别、年龄和一些基因,决定了患者对于代谢手术的反应。2017年来自墨西哥的一个研究[12],纳入了149名患者,对20个候选基因进行SNP分析,结果显示肥胖患者的SNP频数相似,一些基因与肥胖伴发高血压(FTO,APOB)和2型糖尿病(FTO, GNB3,IFI30,MC4R)相关,其中POMC(rs1042571)与代谢手术后的体重降低显著相关。另外一篇来自意大利的研究[13],纳入了100名健康的肥胖患者,关注rs2241766(脂联素基因)、rs490683(饥饿素受体)、rs696217和rs27647(前促饥饿素元/饥饿素基因)以及rs1126535(CD40L基因)。研究表明,rs696217前促饥饿素元(preproghrelin gene) 中的G被T取代之后可以显著降低那些严重肥胖患者的术后BMI(GG vs. GT 30.5±1.1 vs. 38.1±2.1 %;P<0.001),并且发现CD40L基因可以预示术后较差的预后。此外,还有FKBP5多态性(rs1360780)[14]、LYPLAL1基因(rs4846567)[15]、UCP1 -3826 A>G多态性[16]、rs4771122[17]等基因与减重术后的体重变化密切相关。研究也报道了一些阴性结果,如黑皮质素受体-4基因[18]、SLC2A9[19]。手术的预后还包括术后的近期并发症和远期并发症,也是此类研究关注的方向,如肥胖相关的致癌作用——基线子宫内膜病理与代谢手术对于体重代谢和生活质量的影响[20]、通过代谢组学研究发现α酮戊二酸与脂肪肝的相关性[21]等。

 

二、比较代谢术后生物标志物的变化


  早在2009年,David等人比较了肥胖合并或者不合并2型糖尿病的患者,代谢手术前、术后3个月和6个月各项指标的变化情况,由于该项研究有3个时间点,因此各种代谢指标的变化在3个时间点可以呈现23种变化趋势,如逐渐上升、逐渐下降、先上升后下降或先下降后上升等。在标准品包含172种代谢物的库中,83种发生了显著的变化,根据变化趋势,研究将这些代谢产物分为8种,并分享了其大部分的研究结果[22],见表1。对于减重术前后混合餐进餐前后各个时间点各种代谢物质的变化曲线的研究显示,代谢手术可以明显改善混合餐进餐前后各个时间点的代谢物质分泌谱,各种重要的代谢物质水平,如血糖、低密度脂蛋白、极低密度脂蛋白、氨基酸等,都发生了巨大的变化,证明了代谢手术对上述物质吸收和分泌的影响[23]。外泌体是上世纪末发现的有细胞分泌的可以携带遗传信息囊泡,其转移的蛋白质、mRNA、microRNA可以在捕获其的细胞中发挥生物学功能,继续转录翻译。有研究表明,脂肪细胞分泌的外泌体携带的micro RNA在胰岛素抵抗相关通路中发挥重要的作用[24]。2017年,Monica等人比较了6名肥胖患者术前和术后1年脂肪细胞外泌体携带的microRNA的成分,研究发现了168种与胰岛素信号通路相关的外泌体micro RNA,其中10种与HOMA指数的改善相关,48种与BCAA的改善相关,该研究详细地列举了其研究结果,包括micro RNA的名称、序列、差异表达倍数以及通过何种方式影响胰岛素信号通路[25],为代谢手术如何改善胰岛素敏感性的机制提供了重要的证据,见表2。在2013年发表的综述中,Johannes等人分析了6个公开的人类全基因组mRNA表达数据库,比较了其代谢手术前后脂肪组织、肌肉、血、单核细胞基因的差异表达结果,并在发表的文章中详尽地列举了重要的50种差异表达基因,同时该文章也分享了6个公开发布的基因表达数据库、7个蛋白表达数据库、4个代谢组学数据库和6个信号通路、基因功能数据库及其网络地址[26],见表3。


三、比较不同的治疗方式


  2016年,Sara等人将32篇对于代谢手术和生活方式对于体重改善的比较的研究进行了Meta分析,并列举了代谢手术和改善生活方式均能显著改善的代谢指标(如饥饿酮体、酰基肉碱、脂肪酸的β氧化、支链氨基酸(branched chainamino acid,BCAA)、甘油磷脂等),在此基础上,代谢手术还能改善调节胆汁酸代谢池并且降低神经酰胺的水平,更大程度地降低BBCA,提高丝氨酸、甘氨酸水平,更好地改善血糖的控制和炎症。并且该研究发现,3-羟基丁酸能够有效地预测手术的远期预后[27]。2015年,Ewa等[28]比较了19名SG手术、27名近端RYGB以及60名远端RYGB患者术前术后的血清样本,并详细列举了三种术式带来的氨基酸表达谱、羧基氨基酸表达谱和其他代谢产物表达谱的变化。RYGB加速了酪蛋白的化合物的消化以及氨基酸的吸收,导致餐后血浆氨基酸水平更高,但是效果短暂,这种显现可以使营养物质的快速进入和清除,因此蛋白质的消化在RYGB之后不受影响。


四、代谢的多组学研究

 

  多组学是系统生物学的重要手段,是在组学研究(从点到面)的基础上发展的立体方法,通过对同一生物样本进行DNA、RNA、蛋白质和代谢等成分进行2种或多种组学联合分析,了解生物系统内各种组成成分的构成和相互作用关系。多组学研究常常涉及到学科交叉,需要不同领域学者的共同涉及和参与。近年来,多组学研究在代谢手术领域也有重要进展,发现了重要的的问题。2017年宁光等[29]在NatureMedicine发表文章,通过宏基因组学和代谢组学的方法,描述肠道菌群与宿主的共代谢关系,一种与谷氨酰胺相关的拟杆菌与机体谷氨酸代谢相关,并通过动物实验和患者代谢手术的证实,补充这种杆菌可以调整氨基酸代谢,可能是肠道菌群发挥作用的靶点。该研究首先分析了257名肥胖患者或正常体重的患者其肠道基因的数量(反应细菌的种类),并纳入了比较分析了35万个与肥胖相关的宏基因组代谢标志物,及其与临床指标的相关性,发现大量的菌群与氨基酸代谢共调解的现象,其中一种与谷氨酰胺相关的拟杆菌可能发挥重要的作用。在动物实验中发现补充该拟杆菌的确可以改善实验动物的氨基酸代谢进而改善肥胖。在此基础上,改研究的代谢手术团队比较了23名代谢手术患者术前术后的改菌群的数量,发现代谢手术可以使该菌群表达明显上调,并且与BMI呈现负相关。2016年,Jeeyoun等[30]发表在Am JPhysiol EndocrinolMetab 的研究中比较了实验动物在手术前后的血清和肝脏的代谢组学,并进行了相关分析,而后又对其肝脏组织进行了蛋白组学的研究,发现一碳代谢产物在手术中发挥代谢改善关键作用,进而发现甲基化与能量代谢关系密切,这一结果在不同组织和不同成分中进行了反复的验证。


五、小结与展望


  组学研究目前在代谢领域的主要研究方向包括预测代谢手术的预后、比较术前术后的代谢指标以及比较各种术式之间的优劣等,却又不局限于上述方面。通过各种新的技术手段的应用和试验方法的改进,揭秘代谢手术改善代谢的核心机制一直是研究的重要方向,降低手术的伤害而达到代谢改善才是研究发展的最终目的。随着组学研究的发展和推广,不仅通过组学研究得到的直接结果可以发表,其研究结果也作为研究的起始阶段或中间阶段,为研究整体提供证据,提升研究的质量。组学研究的发展为理解代谢手术发挥作用的机制提供了新的思路和机会。关于代谢手术仍然有很多未知的领域可以应用组学研究进行探索,比如手术改善代谢的核心机制、手术对中枢代谢的影响、手术对机体各个系统的远期影响等。人类对于肥胖及代谢疾病的了解还远远不够,掌握有效利用组学研究方法,能获取大量的线索,会使我们离代谢手术和肥胖与代谢疾病的真相越来越近。


文章来源于公众号:中华肥胖与代谢病电子杂志 ,2018, 4(4): 218-225.电子杂志


    2019/10/3 13:48:57     访问数:204
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