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代謝組學是在總體的層面上檢測物質內部小分子組合的一種方法,從代謝產物的類別、數(shù)量和變化的規(guī)律方面開展研究[1]。隨著人們生活方式的轉變以及社會心理因素在疾病發(fā)展中的作用逐漸增強,心肌梗死的發(fā)病率越來越高[2]。在臨床上,心肌梗死發(fā)病比較急重,很多病人在早期沒有明顯的臨床征兆,現(xiàn)在臨床上常用的監(jiān)測指標也只是在疾病發(fā)作時的心肌損傷標志物,即在發(fā)作的時候,心肌已經(jīng)造成了一定程度的損傷。所以早期、正確的治療對降低心肌梗死死亡率有重要意義,尋找新的特異性高靈敏的診斷指標和方法顯得尤為迫切。目前針對心肌損傷標志物的檢測大部分從血液中的蛋白標志等方面來進行探索,本研究從代謝組學的層面對急性心肌梗死病人尿液中所有的代謝產物進行鑒定,然后尋找其具有差別性的部分,利用公開發(fā)表的多項研究數(shù)據(jù)從系統(tǒng)生物學的角度對尿液中心肌梗死的標志物進行研究。
1.1 文獻檢索 從中國知網(wǎng)、萬方數(shù)據(jù)庫、維普數(shù)據(jù)庫、Embase、PubMed數(shù)據(jù)庫中檢索自數(shù)據(jù)庫建庫至2017年2月大鼠心肌梗死的實驗研究。 Embase檢索式(‘metabolomics′/exp OR‘Metabolome’/exp)AND ‘myocardial infarction’exp。PubMed檢索式(metabolomics OR Metabolome)AND myocardial infarction。中國知網(wǎng)檢索式:主題=(心肌梗死或者心梗)并且主題=代謝組。萬方數(shù)據(jù)庫檢索式:(心肌梗死 or 心梗) and 代謝組。維普數(shù)據(jù)庫檢索式(心肌梗死 or 心梗) and 代謝組。中國生物醫(yī)學文獻數(shù)據(jù)庫檢索式:(心肌梗死 or 心梗)and 代謝組。
1.2 文獻納入與排除標準 ①納入文獻形式包括期刊論著、學位論文、會議論文及會議摘要,排除綜述、個案報道、回信書籍及社論等;②納入文獻需包括能提供足夠信息的摘要,或可以獲取全文資料,排除無法獲取摘要的文獻;③排除其他物種心肌梗死代謝組學研究及大鼠心肌梗死模型的組織、血清代謝組學研究;④排除與大鼠心肌梗死相關的非代謝組學小分子化合物研究;⑤排除重復文獻,不同數(shù)據(jù)庫來源中作者、題目及出版年相同的文獻按1篇統(tǒng)計。
1.3 代謝組學中化合物的確定 對納入文獻所研究代謝產物進行統(tǒng)計,匯總所有文獻中的代謝產物。對于研究中沒有確定的產物暫不收錄。代謝產物名稱標準化使用metPA網(wǎng)站轉換工具,針對此工具未能識別的基因則通過在HMDB、PubChem和KEGG數(shù)據(jù)庫內手工逐一檢索其官方名。
1.4 大鼠心肌梗死血清代謝生物信息學分析 信號通路分析采用KEGG(http://www.genome.jp/kegg/),代謝產物分子注釋、相關的酶或轉運蛋白及其相關性質分析采用HMDB(http://www.hmdb.ca/),代謝產物路徑可視化采用metPA網(wǎng)絡軟件(metpa.metabolomics.ca/)。
2.1 文獻檢索情況 共檢索到文獻17篇,其中Embase 2篇,PubMed 2篇,中國知網(wǎng)4篇,萬方數(shù)據(jù)庫7篇,維普數(shù)據(jù)庫2篇,排出重復收錄文獻和相同數(shù)據(jù)文獻,最后有2項研究被納入[3-4],均為中文文獻。納入研究文獻特征見表1。
表1 大鼠心肌梗死模型文獻基本特征
2.2 代謝產物的確定 納入的2項研究從大鼠尿液角度對產物進行了分析。匯總各研究的代謝產物,收集的代謝產物中重復出現(xiàn)的按1次計算,總共30個,分別是Xanthosine、urobilinogen、Uridine、Succinate、Phenylacetylglycine、Phenyl phosphate、oxalosuccinic acid、Oxalosuccinate、Nonadecanoic acid、N-methylnicotinamide、N-Acetylserotonin、N-Acetylglutamate、N2-Succinyl-L-ornithine、L-tryptophan、L-proline、L-isoleucine、L-Glutathione、L-alanine、Lactate、Hippuric acid、Glycine、glucose-1-phosphate、Cyclic AMP、Creatine、citric acid、Citrate、6-phosphogluconate、2-oxoglutarate、N-methyl-4-pyridone-3-carboxamide、N-methyl-2-pyridone-5-carboxamide。
2.3 代謝組產物通路檢索與匹配情況 對研究中重復出現(xiàn)的30種代謝產物在HMDB、PubChem和KEGG中檢索,相應的ID號及基本情況見表2。
表2 大鼠心肌梗死代謝組產物基本情況
2.4 代謝產物路徑分析 用MetPA分析的生物代謝通路顯示,30個代謝產物主要參與了29條代謝路徑(見表3、圖1)。通過通路拓撲分析計算其影響值,選出了影響值最高的3條代謝通路作為大鼠心肌梗死過程代謝通路,分別是:檸檬酸循環(huán)[TCA循環(huán),Citrate cycle (TCA cycle)];丙氨酸、天門冬氨酸和谷氨酸代謝(alanine aspartate and glutamate metabolism);精氨酸和脯氨酸代謝(arginine and proline metabolism)。詳見圖2~圖4。
表3 通過MetPA 得到的獨特的通路分析結果
橫坐標Pathway impact 表征由拓撲分析計算所得代謝通路的重要性值,縱坐標-logP 表示代謝通路富集分析的顯著性水平。代謝通路的Pathway impact 與-logP 值越大,不同組間代謝差異的相關性越高,圖中的圓圈就越大。
圖1通過MetPA得到的通路分析概要圖
圖中所示為KEGG ID,紅色背景化合物是本研究結果中的化合物。
圖2大鼠心肌梗死模型Citrate_cycle(TCA_cycle)代謝通路的模式圖
圖中所示為KEGG ID,紅色背景化合物是本研究結果中的化合物。
圖3大鼠心肌梗死模型Alanine_aspartate_and_glutamate_metabolism代謝通路的模式圖
圖中所示為KEGG ID,紅色背景化合物是本研究結果中的化合物。
圖4大鼠心肌梗死模型Arginine and proline metabolism代謝通路的模式圖
2.5 代謝產物富集分析 本研究收集的30個代謝產物按疾病分類富集,出現(xiàn)了72個富集集(見表4、圖5),其中有17個富集集P值小于0.05,暫未發(fā)現(xiàn)與本研究收集的代謝產物相關的疾病。
圖中每橫條代表的是對應的疾病富集熱圖,其位置越靠頂端,代表其P值越?。粰M條的長度代表富集倍數(shù),橫條越長代表富集倍數(shù)越大。
表4 急性心肌梗死代謝組學按照疾病富集分析情況
(續(xù)表4)
代謝組學是系統(tǒng)生物學重要的研究方法之一,從總體代謝物輪廓上進行病理機制研究的一種重要方法,它是利用現(xiàn)代的分子生物學技術和計算機信息技術相結合的一種方法[5],代謝組學常用質樸的技術,對小分子的物質進行監(jiān)測,并且能夠結合以往的研究,對代謝產物的來源路徑進行分析,并作出物質代謝的網(wǎng)絡拓撲結構,是動態(tài)研究疾病機制的重要方法[6],從而指導疾病診斷、藥物開發(fā)和毒理分析研究。
本研究首先利用了MetPA網(wǎng)絡代謝分析工具對代謝產物進行了注釋,所有的產物都能夠在數(shù)據(jù)庫上得到注釋,然后對代謝產物進行了路徑分析,其中代謝產物參與的有29個代謝途徑。根據(jù)通路影響值的大小,其中3條代謝路徑(檸檬酸循環(huán)、丙氨酸天門冬氨酸和谷氨酸代謝、精氨酸和脯氨酸代謝)有較高的通路影響值。
檸檬酸循環(huán)是人體進行有氧產生能量的基本環(huán)節(jié),是將乙酰CoA中的乙?;趸啥趸己瓦€原當量的酶促反應的循環(huán)系統(tǒng)。本研究中有4個代謝產物(α-酮戊二酸、檸檬酸、草酰琥珀酸鹽、乳清酸)參與了此通路。由于檸檬酸循環(huán)是人體最基本的能量代謝的途徑,是有氧氧化的基本途徑,也是糖、脂肪和蛋白質分解的共同通路和最終途徑,本研究結果顯示大鼠心肌梗死尿液中的4種代謝產物參與了這個非常關鍵的代謝途徑,而整個代謝途徑中的代謝產物主要有32種,體現(xiàn)在整個心肌梗死的病理生理過程中基本能量代謝的影響,由于心肌的缺血缺氧刺激了能量代謝的過程,促使三羧酸循環(huán)加強,以補充缺血缺氧心肌代謝的需求[7]。
最后2條通路均為氨基酸代謝通路,包含丙氨酸天門冬氨酸和谷氨酸代謝、精氨酸和脯氨酸代謝,這些氨基酸的合成障礙意味著將影響細胞內蛋白質的合成與代謝,最終導致心肌凋亡及壞死。
綜上所述,發(fā)現(xiàn)大鼠心肌梗死模型發(fā)病機制包含了多個層面,涉及糖類、脂肪、蛋白質等物質代謝及其代謝通路,說明心肌梗死是由于多種因素作用于多個環(huán)節(jié)所致。