干货 | 2篇文章看懂转录组+代谢组研究思路

2022-08-30 01:01:32, 小迈 武汉迈特维尔生物科技有限公司


前言

生命系统是多组分互相联系的有机体,是高度复杂的庞大系统,单一组学的研究只能识别单一的变化,较难发现疾病变化的原因,从而无法研究复杂生物过程的相互联系。需要从多层次和多因素相互作用的全局性角度进行整合研究,才能完整地认识和揭示生命的复杂生理活动。


基因组,转录组,蛋白质组,代谢组等单一组学分析,为临床诊断,预防提供了大量的biomarker,在疾病发生发展的分子机制研究提供数据依据。随着测序及质谱技术的发展,成本降低,多组学技术为疾病诊断及机制研究提供了更丰富的数据信息。


代谢组是生物体发育和生理状态在代谢水平的体现,是基因组与表型组之间的桥梁,差异积累的代谢物信息可辅助时序表达的众多基因进行“共表达”分析,提示基因功能,研究分子生化机制,并将基因与表型联系起来。因此,转录组+代谢组联合分析可从大量转录本信息中快速鉴定代谢相关功能基因,构建核心调控网络,找出关键候选基因,阐述生物学现象。



对于转录组+代谢组的研究,前面的推文里我们相继介绍了转录组+代谢组分析内容,转录组+代谢组的样本要求。从拿到分析结果到文章成型还有一段距离,从数据到文章,中间做哪些分析内容,除了数据还需要做些什么?我们通过2篇文章给大家一一解析。




案例一



期刊:frontiersin nutrition   

影响因子:6.576

发表时间:2021

技术路线


研究结果:

1.实验处理与样本选择

14只8周龄雄性大鼠,8只处理组,6只对照组。处理组NAFL组饲喂不含胆碱的高脂饲料44d,对照组饲喂正常饲料。喂养44d后去肝脏组织。


2.血清代谢物和激素变化

高脂饮食组游离脂肪酸,甘油三酯,低密度脂蛋白,胰岛素,胰高血糖素相对于对照组升高,生长激素下降。


3.转录组与代谢组初步分析

两个差异分组差异基因178个,相关性分析显示,组内高度相关,组间差异不大,处理转录组反应温和。脂质组分析显示,464个差异代谢物,PCA可以明显区分。


4.差异基因与代谢物KEGG富集分析

差异基因KEGG富集分析,类固醇激素生物合成、脂肪消化吸收、化学致癌、视黄醇代谢、胆汁分泌、细胞色素P450代谢外源生物、过氧化物酶体增殖物激活受体(PPAR)信号通路和胆固醇代谢显著富集;差异代谢物KEGG富集分析,胆固醇代谢、维生素消化吸收、脂肪消化吸收、脂肪细胞脂肪分解调节、胰岛素抵抗、产热和甘油脂代谢显著富集。


5.转录组与脂质组联合分析

通过O2PLS分析,筛选出对脂质组影响最大的前10个基因,其中,Slc16a10、Fabp5、Prkcdbp和Ptprn4个基因在差异最显著的前10个基因中。通过差异表达基因和代谢物的KEGG富集分析,筛选出共同富集的途径包括胆固醇代谢、脂肪消化吸收以及代谢途径。因此,脂质吸收、胆固醇代谢及代谢途径的变化是NAFLD早期最突出的特征。


6.早期脂肪肝向非酒精性脂肪性肝炎(NASH)发展趋势

分析了NASH和纤维化相关的一些基因和脂质的表达,炎症和纤维化相关基因Cxcl13(上)、Nfatc4(上)、Slit2(上)、Apoa4(下)表达存在显著差异。NF-κB信号通路中富含3种表达差异显著上调的脂质[DG(18:120:1)、DG(18:120:0)和DG(18:020:4)]。大鼠脂肪肝模型中,早期脂肪肝有NASH的趋势。




案例二




发表单位:第三军医大学西南医院

期刊:Environment International

影响因子:9.621

发表时间:2022.03

技术路线:


研究结果:

1.样本选择

●取样组织

hESC-ROs(人类胚胎干细胞-视网膜类器官)。胚胎干细胞通过诱导分化处理获得。

●处理描述

生长25天后开始处理;

诱导分化18D开始PBDE处理,处理持续5周;

低剂量的两个浓度处理,0.01μM和0.1μM

●取样策略

至少3个独立实验进行取样,每组至少3个生物学重复;样本一分为二,分别做转录组和代谢组;对照,0.01um处理,0.1um处理,三组样本*3=9个样


2.表型与生理指标分析

通过视网膜分化显微图像显示18d开始形成图案层状神经视网膜(NR),53d后逐渐突出。


免疫荧光染色分析显示,处理5w后,处理组增殖细胞阳性率降低;Tunel(凋亡染色)显示处理组阳性凋亡细胞比例明显高于对照组;处理后,视网膜无长突细胞/神经节细胞(HuC/D)细胞分布紊乱,比值明显降低;


3.转录组分析

对两个处理浓度,及对照组进行转录组检测,发现两组共有差异基因为101个。对共有差异基因进行GO富集分析显示,细胞外结构组织、细胞外基质组织、细胞底物黏附、ERK1和ERK2级联、BMP信号通路GO条目富集。


KEGG富集分析显示,蛋白消化吸收和细胞外基质(ECM)受体相互作用,环境信息处理显著富集。挑选与视网膜发育相关基因进行qpcr分析,结果与转录组保持一致。


4.代谢组分析

对两个处理浓度,及对照组进行代谢组检测,OPLS-DA分析显示处理后与处理前明显区分,说明处理对代谢物影响较大;韦恩图分析显示40种代谢物均出现异常在两个差异分组中均检测到,24个上调,16个下调;KEGG富集分析:乙醛酸和二羧酸代谢、嘌呤代谢显著富集;


5.多组学关联分析

0.1um处理后,差异基因与差异代谢物富集在在谷胱甘肽、苯乙胺和大豆黄酮和草酸代谢,qpcr验证了与谷胱甘肽,苯乙胺,大豆黄酮,草酸代谢相关基因,与转录组结果保持一致。




研究结论:

本研究通过胚胎干细胞诱导分化处理获得hESC-ROs(人类胚胎干细胞-视网膜类器官)。对hESC-ROs表型生理指标,转录组,代谢组技术手段进行分析,低剂量多溴二苯醚可能会产生多方面的早期发育毒性,影响视网膜祖细胞的增殖、迁移和分化。代谢组学和转录组学分析是识别分子标记的有力工具,并证明了细胞外基质组织和嘌呤和谷胱甘肽的代谢参与了多溴二苯醚的视网膜毒性。今后研究仍然需要进一步阐明多溴二苯醚引起视网膜发育毒性的完整分子机制。


转录组+代谢组文章分析思路汇总

1

模型材料的构建&样本选择

通过过表达,敲除构建模型,对已有的样本进行喂食处理构建模型,以及分离细胞,特殊处理构建模型等,是常见的创制表型差异的模型材料的方法。或者直接选择有表型差异的不同分期,分型病理样本进行取样,都是常见的转录组+代谢组研究的取样方案。


2

表型及生理指标检测

通过常见的marker基因的免疫荧光染色,H&E染色,TUNEL染色,油红O染色等,以及qPCR,常见临床生理指标确定模型构建成功,及表型差异的确认。


3

转录组检测分析

通过转录组的PCA分析,确定所取样本在转录组层面具有差异,可以进行后续数据分析。差异基因筛选,KEGG富集分析,筛选研究目的富集的通路。

4

代谢组检测分析

代谢组检测分析,PCA分析,可以将不同组样本明显区分,说明模型样本代谢层面的紊乱与变化。差异代谢物筛选,差异代谢物KEGG富集分析,筛选富集代谢通路。

5

多组学关联分析

通过关联分析,确定代谢与基因层面共同富集通路,这些通路一般是与研究目的显著相关的代谢通路。通过已知文献检索正对照代谢,根据代谢物与基因的相关性结果,筛选候选基因。


以上就是医学方向转录组+代谢组研究方案了,希望对您的研究有所帮助。如有相关问题,可通过文末联系方式进行咨询。


参考文献

1.Zhai Ruina,Feng Lei,Zhang Yu et al. Combined Transcriptomic and Lipidomic Analysis Reveals Dysregulated Genes Expression and Lipid Metabolism Profiles in the Early Stage of Fatty Liver Disease in Rats.[J] .FrontNutr, 2021, 8: 733197.

2.Li Minghui,Zeng Yuxiao,Ge Lingling et al. Evaluation of the influences of low dose polybrominated diphenyl ethers exposure on human earlyretinal development.[J] .Environ Int, 2022, 163: 107187.

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