研究应用篇 | 转录组和代谢组锁定关键基因和关键信号通路

疾病的发病机理及病程发展极其复杂，基因变异、表观遗传的改变、基因表达水平、翻译后修饰、代谢结构等的异常，等诸多因素都在影响着生命体特征的改变。单一组学的研究只能识别单一的变化，不能发现导致变化的原因，也无法研究复杂生物过程的相互联系。而不同组学的联合分析，不仅可以相互验证，而且可以系统全面地解析分子功能和调控机制，用于多层次、多角度地解析致病机理及寻找治疗靶点。多组学整合分析是指对来自不同生物分子层次的批量数据进行归一化处理、比较分析和相关性分析等统计学分析，建立不同层次分子间的数据关系。同时结合GO 功能分析、代谢通路富集、分子互作等生物功能分析，系统全面地解析生物分子功能和调控机制。

应用案例1：脑膜淋巴管在小鼠应激易感性性别差异中的功能作用

英文标题：A functional role of meningeal lymphatics in sex difference of stress susceptibility in mice

发表期刊：Nature Communications （IF14.7）

发表时间：2022年

研究方法：转录组，脂质组

重度抑郁症是最常见的精神疾病之一。脑膜淋巴管对于将脑脊液中的分子引流至外周免疫系统至关重要。亚慢性可变应激作为抑郁样行为的一种模型，会损害雌性小鼠的脑膜淋巴管，而不会损害雄性小鼠的脑膜淋巴管。对脑膜淋巴管的操作调节了小鼠对应激诱发的抑郁和焦虑样行为的易感性的性别差异，以及内侧前额叶皮层和腹侧被盖区的改变。为了进一步探索应激影响脑膜淋巴管的分子机制，对SCVS雌性小鼠和对照组雌性小鼠的meningeal LECs（CD45-CD31+PDPN+）进行了RNA-seq分析。值得注意的是，Egfr的表达是应激下调最多的基因之一。GSEA分析显示，DNA replication, sphingolipid biosynthesis, serotonin uptake在meningeal LECs中显著性富集，表明应激诱导脑膜淋巴管发生了深刻的功能变化。此外，和其他转录组数据集相比，发现了Col6a1、Col1a2、Col3a1、Mmp23和 Trpm1，这些基因可能是值得进一步研究的候选基因。

应用案例2 ：脂质积累的反应性星形胶质细胞促进癫痫的疾病进展

英文标题：Lipid-accumulated reactive astrocytes promote disease progression in epilepsy

发表期刊：Nature Neuroscience （IF21.2）

发表时间：2023年

研究方法：转录组，脂质组，单细胞转录组

反应性星形胶质细胞在神经系统疾病中发挥着重要作用。在颞叶癫痫（TLE）患者和癫痫小鼠中，星形胶质细胞中过多的脂质积累会导致脂质积累反应性星形胶质细胞（LARAs）的形成，这是一种新的反应性星形胶质细胞亚型，其特征是 APOE 表达升高。敲除 APOE可抑制LARA的形成和癫痫小鼠的癫痫发作。对TLE患者进行的单核RNA测序证实了LARA亚群的存在，并具有独特的分子特征。

采用RNA-seq探讨了FA处理和APOE-KO诱导的差异表达基因，有趣的是，77.5%（404/521）的基因在FA处理的野生型星形胶质细胞和APOE-/-星形胶质细胞之间呈现出相反的模式。这些基因富集在神经元传递相关的功能，如 “突触可塑性调控 ”和 “神经递质转运调控”。此外，在 KA 刺激的 APOE-/- 小鼠中观察到星形胶质细胞 A2AR 明显减少。这些结果表明，LARAs 表达高水平的 A2AR 至少部分是由于 APOE 介导的脂质积累。

应用案例3: PCCB 是一个与GABAergic通路相关的精神分裂症基因

英文标题：Human forebrain organoid-based multiomics analyses of PCCB as a schizophrenia associated gene linked to GABAergic pathways

发表期刊：Nature Communications （IF14.7）

发表时间：2023年

研究方法：转录组，代谢组

整合多个已发表的 TWAS 数据集、基因共表达和差异基因表达分析，优先选择精神分裂症（SCZ）候选基因进行功能研究，合并证据将PCCB列为 SCZ 的风险基因。在human forebrain organoids (hFOs)中敲除PCCB，RNA测序分析发现多种神经元功能（如GABAergic synapse）基因出现失调。代谢组和线粒体功能分析证实，PCCB敲除hFO中的GABA水平降低是由于三羧酸循环抑制所致。PCCB敲除会导致hFO出现与SCZ相关的表型，包括神经活动亢进和神经网络同步性降低。该研究揭示了 PCCB 下调可能通过调节 GABAergic通路导致 SCZ 风险。

使用代谢组学来分析PCCB敲除是否降低了hFOs中的GABA水平，发现分别有27种和35种代谢物在PCCB-G1和PCCB-G2 hFO中有差异表达；其中9 个共有差异代谢物的变化方向一致。这 9 个共有差异代谢物显著性富集在febrile seizures、GABA-transaminase deficiency和spinocerebellar degeneration等代谢通路中。9 个共有差异代谢物与 DEGs 之间的相关性分析表明PCCB与 GABA 具有正相关性关系。值得注意的是，GABA 分别与 GABA 受体基因 GABRA1、GABRA2、GABRB2 和 GABRB3 呈强正相关。

应用案例4：限时喂食可增强小鼠的跑步耐力

英文标题：Daytime-restricted feeding enhances running endurance without prior exercise in mice

发表期刊：Nature Metabolism （IF18.9）

发表时间：2023年

研究方法：转录组，代谢组，靶向脂质组，蛋白组

体能耐力和能量守恒对野外生存至关重要。然而，进食时间是否以及如何调节身体耐力和肌肉昼夜节律仍是一个未知数。日间/睡眠限时进食（DRF）能使雄性和雌性小鼠在整个昼夜节律周期中的跑步耐力提高100%。在全身或肌肉中消融昼夜节律钟会消除 DRF 的运动调节效应，DRF能强有力地控制以线粒体氧化代谢为中心的网络的昼夜节律。肌肉特异性敲除肌细胞脂滴蛋白perilipin-5能完全模拟DRF，增强耐力、提高氧化生物能，并对包括酰基肉碱在内的循环能量底物输出节律性。总之，发现了一种有效的饮食疗法，可以在不进行运动的情况下增强跑步耐力，同时提供了一个由进餐时间调控的肌肉昼夜节律多组学图谱。

基于 N-integrative 监督分析肌肉脂质组、代谢组和转录组的昼夜节律分子特征，证实脂质和氨基酸的分解代谢在昼夜节律网络中具有很高的代表性。尤其是线粒体氧化代谢的调节因子，如 Plin5 和 Pdk4，与标志性昼夜节律分子呈高度正相关。在2,971个稳健定量的蛋白质中，有 3.6% 在循环；这些循环蛋白中有 49% 位于线粒体中。通路分析表明，肌肉中的循环蛋白富集于FAO（如PDK4、HADH和CS）、嘌呤代谢（如ADK）、线粒体呼吸（如 ATP5O 和 NDUFA5）和 BCAA 代谢（如 BCKDHA）。