Small Methods:精確代謝組學方法揭示多種與衰老相關的代謝特徵

2022年5月,中科院遺傳發育所、首都醫科大學北京安貞醫院和中科脂典的研究人員在《Small Methods》(2021年影響因子: 14。2)上發表了題為“Precise metabolomics reveals a diversity of aging-associated metabolic features”的論文,該研究採用一種新開發的精確定量代謝組學分析方法,揭示了與人類衰老相關的血漿代謝特徵。

Small Methods:精確代謝組學方法揭示多種與衰老相關的代謝特徵

透過引入和精確選擇合適的同位素標記標準品(ISs)進行定量,將質控(QC)樣品中已鑑定代謝物的變異係數(COV)大幅降低。

開發的精確代謝組學方法成功應用於分析與人類衰老相關的血漿代謝特徵。

衰老過程中各種代謝途徑的擾動主要涉及類固醇代謝、氨基酸代謝、脂質代謝和嘌呤代謝。

研究背景

內源性代謝水平的波動直接反映了生理和病理表型。代謝組學在過去二十年中發展迅速,液相色譜與高解析度質譜聯用(LC-HRMS)技術是目前生物醫學研究中最常用的代謝組分析平臺。儘管針對不同型別代謝物開發了各種基於LC-MS的分析方法,但困擾分析精度和結構鑑定的技術問題仍然存在,尤其是在血漿代謝組分析方面。血漿代謝組化學性質各異以及複雜的基質會顯著減低代謝物定性與定量結果的準確性。

與通常捕獲2萬多個基因的基因組學和檢測數千種蛋白質的蛋白質組學相比,代謝組學分析通常僅能提供幾百種代謝物資訊。此外,與作用於上游的相應蛋白質或基因相比,內源性代謝物水平變化的倍數較小,這在一定程度上限制了比較代謝組學的應用。為了克服這些瓶頸問題,迫切需要開發新方法來提高代謝物覆蓋度和分析精度。已有的大量有關研究主要集中在增加代謝組覆蓋度上,但對提高分析準確性的關注相對較少。

衰老是一個與器官功能下降和代謝變化相關的過程,其特點是對各種疾病的易感性增加。人類衰老過程中血液代謝物的改變可以揭示老年醫學標誌物,並揭示增強衰老相關疾病易感性的潛在機制。

研究人員引入覆蓋人體主要代謝通路的64種同位素內標(ISs),校準代謝組資料。選擇ISs進行校準的匹配規則遵循最小變異係數(COV)的主要標準。質控樣本(QC)中,如果代謝物經特定ISs校準後獲得的最小COV都在5%視窗內,則根據結構相似性和保留時間的接近的原則進一步篩選ISs。實驗設計見圖一。

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圖1。 實驗設計

透過引入和精確選擇合適的ISs校準代謝組資料,QC樣品中所鑑定的480種代謝物的COV從14。3%降低至9。8%(圖二)。同時,對於未知代謝物的鑑定,根據其匹配的最佳ISs結構和保留時間,有助於其準確定性。

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圖2。 ISs校正前後QC樣品中已鑑定代謝物變異係數(COV)的比較

研究人員應用建立的精確代謝組分析方法研究了225名年齡在20-88歲受試者的血漿代謝組圖譜,來闡明人類衰老過程中的系統代謝特徵和通路的變化。

邏輯迴歸分析血漿代謝組與年齡之間的相關性的結果如圖三所示,色氨酸2-C-甘露糖苷、苯丙氨酸天冬氨酸、琥珀醯腺苷、3,3‘-硫代雙丙酸和瓜氨酸表現出與年齡呈顯著正相關。主要的類固醇硫酸鹽,如硫酸脫氫表雄酮(DHEAS)、硫酸孕烯酮(PregS),雄甾酮葡萄糖醛酸(AG)等與年齡呈顯著負相關。在與衰老最顯著相關的前十種代謝物中,七種代謝物是類固醇衍生物,其中六種是類固醇硫酸鹽。

相關性分析或差異相關性網路分析提供了在給定生物學背景下發現功能性代謝物模組的線索。年輕(20-41 歲)和老年(60-81 歲)組之間代謝物相關性的弦圖顯示,類固醇和其他代謝物之間的特定相關性在老年組中完全消失。在老年組中,溶血磷脂醯膽鹼(LPCs)與醯基肉鹼、LPCs與氨基酸的正共調控作用消失或減弱,一些脂肪酸在年輕組中沒有表現出顯著的代謝物-代謝物相關性,而在老年組中顯示與氨基酸呈負相關。

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圖3。 與衰老相關的代謝特徵

圖四顯示了與年齡正相關的血漿代謝物,包括色氨酸2-C-甘露糖苷、泛酸、膽鹼、三甲胺N-氧化物(TMAO)、以及與精氨酸代謝、氨基酸代謝和嘌呤代謝相關的代謝物。

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圖4。 極性代謝物與衰老顯著正相關

多尺度嵌入相關網路分析(MECNA)進一步說明了年輕組和老年組中各種代謝物之間的差異相關性,這表明各種代謝物(包括類固醇、脂質、葡萄糖和氨基酸)之間的相關性存在與衰老相關的干擾(圖五)。AG是血漿代謝物MECNA分析的中心樞紐,此外,葡萄糖酸是全域性MECNA網路中確定的另一個重要樞紐,與許多極性代謝物呈正相關,包括修飾的氨基酸和一些二肽。此外,MECNA分析還表明,年輕組和老年組的各種脂肪酸(棕色結節)之間存在顯著差異相關性。

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圖5。 多尺度嵌入相關網路分析(MECNA)

人類血漿DHEA水平與年齡顯著相關,在20多歲或30歲出頭時濃度最高,然後隨著年齡的增長逐漸下降。同樣,隨著年齡的增長,PregS和其他一些類固醇的水平也呈現出下降趨勢(圖六)。這些結果表明,類固醇和激素是人類衰老過程中變化最為廣泛的代謝途徑。基於從MECNA結果中選擇的類固醇,研究人員進一步發現,在老年組中,TCA迴圈、胰高血糖素訊號通路和中心碳代謝與這些類固醇顯著正相關。

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圖6。 類固醇衍生物代謝產物與衰老顯著正相關

邏輯迴歸分析表明,大多數遊離脂肪酸(C16、C18、C20和C22)和不同醯基鏈長度的醯基肉鹼與衰老呈現顯著正相關(圖七略)。

總之,研究人員開發了一種精確的代謝組學分析方法,提高了定性和定量的準確性。ISs的啟發式選擇主要旨在減低COV,確保了來自大型臨床佇列的高質量代謝組資料。該研究揭示了人類衰老過程中血漿中多種與衰老相關的代謝特徵,包括類固醇代謝、氨基酸代謝、脂質代謝、嘌呤代謝和尿素迴圈,這使我們能夠得出與各種年齡相關疾病病理學的相關資訊,為預防和治療這些與年齡有關的疾病提供了線索。

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