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[资源] Nature | 哺乳动物脂代谢的综合系统遗传分析

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发表于 2020-9-22 14:58:12 | 显示全部楼层 |阅读模式

● 期刊:Nature
● IF=42.778

当前全球健康问题的相当一部分来自于脂肪肝导致的疾病,例如肝硬化。在之前的研究中,对肝硬化的发病机制研究具有挑战性,这在很大程度上是由于遗传因素和环境因素之间相互作用不明确所致。常规的全基因组关联研究缺乏足够的能力来分析环境对复杂性状的影响,也许这可以解释为何仅30%的脂肪肝遗传力被分配到了特定的基因变异。脂质稳态的失调是导致肝硬化和代谢综合征的发生和发展的重要因素。这在发达社会中非常普遍,但诊断和治疗干预方面的选择却非常有限。

作者使用蛋白质组学和脂质组学方法,对107种不同的小鼠品系中的脂质调控网络进行了探究,以揭示哺乳动物脂质代谢的调控机制和网络结构。另外,作者对血浆脂质特征标记物进行鉴定,从而借此通过机器学习预测小鼠和人类肝脏中的病理性脂质丰度,定义了脂质相关蛋白的亚细胞定位和功能,并揭示了预计可调节脂质丰度的功能蛋白和遗传变异。基于这些数据集,作者应用跨组学分析鉴定和验证出脂质调节重要蛋白PSMD9。



1.蛋白质组学联合脂质组学对小鼠肝脏与血浆样本分析,并通过机器学习预测肝脏病理性脂质丰度。

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蛋白质组学结果显示,在多于50个品系的小鼠肝脏样本中,共鉴定出7775个蛋白,定量4311个蛋白,而靶向脂质组学对于相同的肝脏及血浆样本进行分析后,定量23个大类311种脂质。
观察到HMDP所有品系小鼠,肝脏与血浆样本中甘油三酯及甘油二酯差异显著,另外,biweight midcorrelation分析得到,CE, 胆固醇酯; Cer, 神经酰胺;COH,游离胆固醇;MHC,单己基神经酰胺;PC,磷脂酰胆碱;PC(O), 烷基磷脂酰胆碱;PE(P), 烯基磷脂酰乙醇胺, 也呈现出显著性差异。血浆MHC脂质种类与总肝脏MHC显着相关,而血浆C14 / 15含量的甘油三酯种类与总肝脏甘油酯含量正相关。另外,血浆烷基磷脂酰胆碱与总肝脏甘油二酯和甘油三酯的丰度呈负相关。
基于肝脏与血浆中脂质的相关性,作者建立机器学习模式,并在一个小规模的不同程度肝脂肪变性(n = 58;平均体重指数> 35)的肥胖人群中测试了这些血浆脂质比率。鉴定出的比率显示出预测总肝脏甘油三酯和甘油二酯的显着能力,并具有预测肝神经酰胺丰度的趋势。因此,我们鉴定出小鼠HMDP数据集的脂质标记物,具有用于诊断及预后人肝脏脂毒性的潜在价值。

2.蛋白质相关性分析及后续验证鉴定出过氧化酶体脂代谢相关蛋白


为了鉴定肝脏中的共调节蛋白网络,作者对50多个HMDP小鼠品系中定量到的4311种蛋白进行了相关分析,并将这些数据与以前发表的数据集(CORUM,HINT和BioGRID27-31)整合在一起至生成高可信度小鼠肝蛋白相互作用组图。这种方法确定了许多明确的蛋白质复合物,来源包括线粒体,蛋白酶体,核糖体和剪接体,以及数百种具有未明确相互作用的蛋白质。
基于此网络,作者确定了肝脏与血浆脂质丰度相关的蛋白的亚细胞定位及功能。基于过氧化物酶体在脂代谢中的角色,及通过过氧化物酶体-脂质丰度相关性观察到的结果,作者主要研究了过氧化物酶体中鉴定出的独有蛋白质(g)。
例如,ACAD11与几种过氧化物酶体蛋白和许多脂质类别相关,表明过氧化物酶体在脂代谢中的潜在角色(h)。作者通过confocal microscopy(i,j),WB(k),亲和纯化质谱(AP-MS)确认ACAD11与过氧化酶体的共定位,AP-MS鉴定出17种ACAD11互作蛋白,其中9种与HMDP相关(l)。其中两种蛋白质HSD17B4与HSDL2与ACAD11具有最显著的相关性,表明三种蛋白在肝脏过氧化酶体甘油酯代谢中的潜在作用。

3.基因调控蛋白与脂质丰度分析

作者使用QTL定位,分析HMDB中,影响蛋白质组及脂质丰度的遗传变异。分析结果显示,蛋白顺式QTL (pQTL) 定位数据集鉴定出97819个SNP对应于976个独特蛋白,脂质组学的QTL定位数据集鉴定出227个肝脏和252个血浆的脂质QTL(lQTL)脂质分别对应于3981和6765个独特SNP。整合pQTL和lQTL数据集可确定1,984个常见SNP,这些SNP与肝脏中蛋白质和脂质的丰度有关。
将这些SNP信息与蛋白质-脂质丰度相关性数据整合分析(a,b),得到17个loci上的281个SNP,其中GLO1基因座具有非常显着的cis-pQTL(c)和lQTL,而肝脏中GLO1蛋白与9种甘油三酯正相关。对应ABHD1蛋白的SNP与血浆中含C14的溶血磷脂酰胆碱共映射,并在肝脏ABHD1和血浆溶血磷脂酰胆碱之间观察到显着的负相关性,这表明ABHD1参与血浆中LPC的调节(d)。另外,第5号染色体上PPAT的顺式pQTL与MHC的丰度有关(e)。作者通过系统遗传学方法鉴定出许多独特的蛋白,这些蛋白可能在调节肝和血浆脂质丰度中起作用。

4.参与调控脂质丰度的蛋白通路分析


作者对可能参与脂质丰度调控的蛋白通路进行KEGG富集分析发现,与胆固醇酯,甘油二酯和甘油三酯高度相关性的蛋白,包括PLIN2和脂肪酸代谢酶,例如EHHADH,ACC1,ACC2,CRAT,CPT2,ACOT1-4和LPIN2。其中蛋白水解相关的蛋白与肝脏脂质丰度有强相关性,并且基于肝和血浆中蛋白酶体相关的蛋白质和脂质特定mapping发现, PSMD9表现出与脂质丰度显著的相关性(a),它与39种肝脂质正相关与65种血浆脂质呈负相关。另外,基于QTL mapping,mapping到PMSD9的基因座cis-pQTL,co-map到数个甘油三酯(TG 14:0-16:1-18:2)lQTL(b),上述数据说明,PSMD9基因座处的遗传变异驱动血浆中PSMD9蛋白丰度和甘油三酯水平的变化。

5.PSMD9调控脂质代谢功能验证

基于此前的研究结果,作者通过gain-of-function与loss-of-function实验验证PSMD9在脂代谢中的调控作用。

作者生成了系统遗传学数据集,结合了定量脂质组学和蛋白质组学,可从107个小鼠GRP品系查询哺乳动物脂质代谢。作者利用该数据集揭示了蛋白质在脂质调节中重要的新途径,确定了有潜力的诊断和预后生物标志物,并验证了潜在的亚细胞定位和独特的脂代谢调控蛋白的功能。此外,作者确定PSMD9是脂代谢的重要调控蛋白,具有潜在的治疗意义。



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