血浆蛋白质组或可揭示胰岛素抗性之谜

景杰生物/报道 

编者按：在现代社会，全球有一半人口饱受肥胖有关的疾病的困扰，而减肥手术是目前治疗超重最有效的医疗手段，同时还能显著改善二型糖尿病人对胰岛素的抗性。近日，来自欧洲等研究人员，利用高通量蛋白质组学技术，揭示了胃旁路手术 (RYGB) 前后血浆蛋白质组的变化，结果表明含量显著改变的蛋白质主要集中在系统性炎症和脂质代谢，其中一些差异表达的蛋白和胰岛素抗性相关。此项研究由Louis-Jeantet医学奖获得者Matthias Mann博士领导，发表在国际学术期刊Cell Systems。

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背景介绍

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世界卫生组织在2016年的报告表明，目前全球有超过6亿人处于肥胖的状态(BMI > 30 kg/m2)，另有13亿人超重。超重人群的比例自1980年以来翻了一番，除了超重带来的行动不便外，他们还常常饱受2型糖尿病(T2D)、心血管疾病、内分泌紊乱、神经退行性疾病的困扰，甚至是癌症的摧残。

面对空前严峻的人群超重的态势，医学工作人员和科研工作者投入了大量努力，他们在开发新的疗法的同时，也力求深入了解疾病机制。研究表明减肥手术已经成为治疗肥胖和T2D最有效的干预手段，胃旁路手术（Roux-en-Y gastric bypass/RYGB）是最常见的减肥手术，通过限制胃摄入食物量，重构肠道结果，从而实现快速减肥并长期维持体重的效果，此外还能显著提高T2D患者的胰岛素敏感性，以至于手术患者糖尿病缓解率能达到75%。接受该手术的名人很多，比如“球王”马拉多纳，著名男高音“帕瓦罗蒂”。

(左)胃旁路手术示意图 (右)“球王”马拉多拉接受RYGB手术前后

尽管胃旁路手术有如此显著的效果，但是我们对手术前后血液中蛋白的变化知之甚少。主要是目前血液蛋白质组学的技术难度较高：大量高丰度蛋白，个体差异较大，难以高通量操作。

Matthias Mann团队改进的血浆蛋白质组谱的方法，在实验操作上更自动化，同时蛋白质通量也提高了一倍。通过全局蛋白质组关联图谱的建立，可以更全面了解血浆蛋白质组动态变化，揭示蛋白-蛋白连接和蛋白-临床参数关联，突出了循环蛋白之间、与临床参数之间的相关性和抗相关性行为，结果显示显著改变的蛋白质主要是系统性炎症和脂质代谢的标志物。此项研究为肥胖人群的手术治疗提供了进一步的临床数据，也揭示了代谢综合征和糖尿病治疗的潜在分子标记和靶点。

 文章图解概述

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研究速读

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1. 胃旁路手术人血浆蛋白质组深度数据集

研究人员对47例病态肥胖个体的血浆样品进行蛋白组的分析。血液收集分为四个时间点，一次在手术前，三次在术后。病人的体重在术后平稳降低，一年内体重平均降低近30%。研究人员去除血浆中高丰度蛋白后，利用液相色谱将酶解后的血浆蛋白的肽段分为24个组分，随后质谱分析得到高通量的血浆蛋白数据库。

实验参与个体的平均血浆蛋白通量达到1025个，含有两条以上多肽的可定量蛋白总计达到1700个。对这些蛋白依照蛋白丰度排名，随后对其功能进行注释，并进行富集分析，得到117个具有统计学意义的条目，其中与脂质运输、凝血和炎症相关的蛋白在高丰度范围得到了很好的反映。

 Fig1 实验设计及流程图

2. 术后血浆蛋白质组的功能分析

研究人员对术后血浆蛋白质组的动态变化进行了分析，依据分层聚类分析将蛋白质组分为四大类。这些蛋白中有近一半呈现长期下降趋势(第一组,10个蛋白;第二组,40个蛋白质)。第三组的39个蛋白显示出长期增加倾向，其中许多蛋白在手术后开始减少；第四组的蛋白含量先下降后逐渐恢复到基态。

接下来，研究人员对蛋白质的功能进行了二次聚类分析，以研究属于同一个聚类群体的蛋白质是否也具有功能的相关性。其中与炎症相关的最为丰富，包括临床上常用的炎症标志物C反应蛋白(CRP)、急性期蛋白SAA1、SAA4、脂多糖结合蛋白(LBP)，以及补体因子C1S、CFHR3、CFHR5。其次便属于脂质稳态系统，与体重丢失的预期结果一致。

  Fig2 变化显著蛋白质按照变化趋势分为四类

3. 蛋白组关联图谱揭示数百种血浆蛋白的协同调节作用

传统上对血浆蛋白水平的研究是独立测量和考虑的，但是蛋白质通常以复合物或基团的形式协同工作。接下来，研究人员研究了在系统水平上对血浆蛋白质组的协同调节，以识别蛋白质网络并寻找新的候选生物标志物。

结果揭示炎症系统中高度相关的亚群包括CRP、SAA1和补体级联成员蛋白。在炎症团簇中，补体系统与其他炎症蛋白(如LBP)有很强的关系。此外，它还包含与糖尿病相关的临床参数，如胰岛素水平、c肽水平和HOMA-IR。这个网络清楚地捕捉到了炎症、胰岛素抵抗和脂质代谢之间的关系。

  Fig3 血浆蛋白质组关联图谱

4. 肥胖治疗手术显著改变脂代谢核心蛋白

脂稳态是肥胖术后第二大受到影响的生理系统，研究人员进而对这类脂稳态相关蛋白做了术后关联分析以及卡路里限制功能研究。结果表明有25种反映血脂稳态系统的蛋白，并且他们的关联图显示了卡路里限制和肥胖术后研究之间很大程度的相似性。其中HDL相关蛋白APOA1、APOA2、APOA4和PON1表现出较高的关联度。

   Fig4 脂稳态调节蛋白对RYGB和卡路里限制的应答

5. 肥胖手术改善个体胰岛素敏感

肥胖手术对胰岛素敏感性的积极作用已被广泛讨论，但其在血浆蛋白组中的功用尚未被描述。研究人员进一步对术后血浆蛋白组呈现出的胰岛素敏感变化做了分析。研究人员将胰岛素敏感性测量与血浆蛋白质谱图联系起来，得到75个显著相关蛋白。脂联素、性激素结合球蛋白、维生素k依赖性蛋白S、胆碱酯酶、补体因子C3、CFB和c4结合蛋白alpha链与评估结果相关。蛋白质相关图谱反映了胰岛素敏感性、脂质稳态和炎症之间的复杂关系，丰富了临床数据。

  Fig5 胰岛素敏感性评估

◆◆小结◆◆

血浆蛋白质组分析是研究肥胖病人手术等生理干预对人体影响的一项强有力的技术，可为代谢综合征和糖尿病的治疗提供潜在的分子标志物和靶点。此类研究方法可以评估由代谢扰动引起的血液蛋白的变化。生物信息学分析将这些数据与现有知识相结合，从而为深层次机制注释提供了临床背景。进一步简化和开发研究分析方法，将有可能衡量更多临床研究，建立一个更全面的人血浆蛋白质组“知识库”。

参考文献：

Nicolai J. Wewer Albrechtsen, et al., (2018), Plasma Proteome Profiling Reveals Dynamics of Inflammatory and Lipid Homeostasis Markers after Roux-En-Y Gastric Bypass Surgery. Cell Syst. 

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