轉(zhuǎn)錄組學(xué)與蛋白組學(xué)在痛風(fēng)的研究進展

孫廣瀚, 劉 健,龍 琰,鮑丙溪,張 穎

安徽中醫(yī)藥大學(xué) 第一附屬醫(yī)院,合肥 230031

痛風(fēng)是一種關(guān)節(jié)疾病,其特征是尿酸單鈉(MSU)晶體在關(guān)節(jié)及其周圍組織中積聚,導(dǎo)致持續(xù)的高尿酸血癥,屬于代謝性的風(fēng)濕病[1]。近年來,我國痛風(fēng)發(fā)病率呈上升趨勢。通過系統(tǒng)回顧及meta分析,發(fā)現(xiàn)我國大陸地區(qū)的痛風(fēng)患病率為1.1%[2]。轉(zhuǎn)錄組學(xué)與蛋白組學(xué)都是在整體水平上研究細(xì)胞中基因轉(zhuǎn)錄或蛋白的學(xué)科。高通量轉(zhuǎn)錄組測序可以生成大量數(shù)據(jù)來分析與表型信息相關(guān)的基因,從而闡明了基因特定性狀的作用。蛋白質(zhì)組作為基因組的功能翻譯是觸發(fā)致病作用的基因組機制的直接表示。蛋白質(zhì)組學(xué)在痛風(fēng)中的運用有利于確定疾病發(fā)展的機制,篩選出可以早期診斷的生物標(biāo)志物,為個性化治療提供新的治療靶標(biāo)。對轉(zhuǎn)錄組、蛋白組越來越多的研究集中在痛風(fēng)中的生理病理機制、治療痛風(fēng)藥物藥理、中醫(yī)證型等方面。本文在分析、借鑒最新研究成果的基礎(chǔ)上,就轉(zhuǎn)錄組學(xué)與蛋白組學(xué)在痛風(fēng)中的應(yīng)用作一綜述。

1 痛風(fēng)的轉(zhuǎn)錄組分析

1.1 全轉(zhuǎn)錄組測序分析

盡管單細(xì)胞RNA 測序(RNA-seq)技術(shù)仍需要較高的實驗成本和較長的實驗周期,但是可以提供詳細(xì)的聚類特征以探索決定性因素[3]。隨著對基因的深入認(rèn)識及高通量技術(shù)的應(yīng)用漸趨成熟,非常需要開發(fā)可以用于鑒定發(fā)育特征的有效基因的計算方法,通過構(gòu)建基因表達(dá)評分系統(tǒng),或根據(jù)痛風(fēng)基因表達(dá)譜特點進行分型,以在分子水平上全面了解基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和病理機制對疾病的影響。黨萬太等[4]通過RT-PCR 檢測痛風(fēng)患者外周血單個核細(xì)胞中核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體3(NLRP3)炎性體基因及其轉(zhuǎn)錄剪接體 mRNA 的表達(dá),探討NLRP3炎性體基因及其轉(zhuǎn)錄剪接體mRNA 表達(dá)異常。在研究中藥時,在痛風(fēng)疾病中的作用也具有重要影響。朱偉堅[5]通過轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)探索從蟬花蟲草中分離提取了鎮(zhèn)痛活性物質(zhì)N6-(2-羥乙基)腺苷(N6-(2-hydroxyethyl)-adenosine,HEA)對痛風(fēng)模型大鼠Adora1、Adora2a相關(guān)基因的調(diào)控,結(jié)果mRNA表達(dá)中932 個基因差異表達(dá),其中A1R 與A2AR上調(diào)表達(dá)。這些可能的調(diào)控通路,為痛風(fēng)治療提供新策略,也為今后的深入研究打下基礎(chǔ)。

1.2 非編碼RNA 測序分析

大多數(shù)人類轉(zhuǎn)錄組定義為非編碼RNA(ncRNA)。最近有研究[6-7]證明,ncRNA 可以編碼蛋白質(zhì)或肽,在轉(zhuǎn)錄后、翻譯、表觀遺傳等不同層面參與細(xì)胞生物學(xué)過程,在生理和病理過程中起著重要作用。ncRNA 包括長鏈非編碼RNA(long noncoding RNA,lnc RNA)、環(huán)狀RNA(circular RNA,circ RNA)和微小RNA(micro RNA,mi RNA)。越來越多的證據(jù)支持ncRNA 在染色質(zhì)功能的許多方面起著核心作用。例如,ncRNA 可以充當(dāng)支架,用于將某些染色質(zhì)修飾復(fù)合物募集到基因組內(nèi)的特定位點。

由于ncRNA 在活生物體中高度豐富,并且已發(fā)現(xiàn)其在許多生物過程中起著重要作用,越來越需要具有公正態(tài)度進一步研究整個ncRNA。ncRNA轉(zhuǎn)錄物可以通過轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后調(diào)控成為基因調(diào)控因子,有希望成為痛風(fēng)的診斷標(biāo)志物。姚承佼[8]在痛風(fēng)患者中研究發(fā)現(xiàn) AJ227913、AK001903、ENSG00000239182的表達(dá)都上調(diào),lnc-CCDC64B-1∶8的表達(dá)下降。痛風(fēng)的發(fā)病機制主要包括nf-κB信號通路、NOD 樣受體蛋白3炎性小體信號通路和腺苷三磷酸-嘌呤能配體門控離子通道7 信號通路,而lnc RNA 與這些信號通路都具有一定的調(diào)節(jié)機制[9]。最近研究轉(zhuǎn)錄組的下一代測序(NGS)技術(shù)可以探究ncRNA 的調(diào)控途徑和新功能,將極大地提高轉(zhuǎn)錄組研究的通量[10]。

2 痛風(fēng)的蛋白組分析

在痛風(fēng)急性發(fā)作期和痛風(fēng)恢復(fù)期兩組的蛋白質(zhì)組范圍內(nèi)的分析顯示,低水平的復(fù)合物髓樣相關(guān)蛋白8(MRP-8)和復(fù)合物髓樣相關(guān)蛋白14(MRP-14)和高水平的白細(xì)胞介素8(IL-8)/CXCL8是差異表達(dá)最大的蛋白質(zhì)[11]。蛋白質(zhì)組學(xué)中質(zhì)譜分析(MS)是主要技術(shù),使得能夠鑒定各種類型樣品中具有病理學(xué)意義的蛋白質(zhì),輔助蛋白質(zhì)組學(xué)為痛風(fēng)生物標(biāo)志物的發(fā)展做出貢獻(xiàn),為臨床測試奠定了基礎(chǔ),闡明痛風(fēng)的分子機制[12]?；贛S 的臨床蛋白質(zhì)組學(xué)方法被引入生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)有二十多年的歷史[13]。蛋白組學(xué)有利于發(fā)掘生命現(xiàn)象的表層原因,借助蛋白組學(xué)可以研究痛風(fēng)中不同證型的蛋白質(zhì)基礎(chǔ),如李榮群[14]應(yīng)用MS分析痰濕質(zhì)痛風(fēng)人群和平和質(zhì)正常人群的血漿蛋白表達(dá)后發(fā)現(xiàn),痰濕質(zhì)痛風(fēng)人群有5個蛋白質(zhì)分子(Apolipoprotein C-Ⅱ、Zinc finger protein562、Clusterin、Apolipoprotein AI、Transthyretin)表達(dá)量上調(diào),同時有3個蛋白質(zhì)分子(SAPS domain family,member2、LTBP3、Retinolbinding protein4)表達(dá)量下調(diào)。從宏觀方面發(fā)現(xiàn)痛風(fēng)的發(fā)病是由體質(zhì)、生活習(xí)慣和環(huán)境因素的相互作用結(jié)果,根據(jù)痛風(fēng)不同中醫(yī)體質(zhì)可以進行差異蛋白特征研究。

蛋白質(zhì)組學(xué)在治療痛風(fēng)藥物的應(yīng)用,例如化學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué),蛋白質(zhì)表達(dá)譜分析,靶向蛋白質(zhì)定量,蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用分析和翻譯后修飾,已被藥學(xué)研究的各個領(lǐng)域廣泛使用,蛋白質(zhì)組學(xué)的技術(shù)進步將進一步加快治療痛風(fēng)藥物的研發(fā)[15]。沈麗津[16]在痛風(fēng)患者中基于蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)和結(jié)合生物學(xué)功能分析,鑒定GSN 等異常蛋白具有作為診斷痛風(fēng)指標(biāo)的潛在價值。應(yīng)穎[17]應(yīng)用同位素標(biāo)記(iTRAQ)標(biāo)記技術(shù)結(jié)合液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)發(fā)現(xiàn)基因ABCG2、SLC2A9和P2RX7 的甲基化水平與痛風(fēng)的發(fā)病相關(guān)。由此可見,基于網(wǎng)絡(luò)的蛋白質(zhì)組學(xué)發(fā)揮其潛力并為臨床應(yīng)用做出有意義的貢獻(xiàn)至關(guān)重要。

3 總結(jié)

痛風(fēng)是一種由于血清尿酸鹽(SU)升高引起的慢性疾病,屬現(xiàn)代高發(fā)、頻發(fā)的風(fēng)濕代謝病,其多基因、多因素及個體性的特征,病理機制尚未完全闡明。盡管存在有效的痛風(fēng)治療方法,而且由于藥物依從性低以及與指導(dǎo)原則不一致的治療方法,臨床療效也未能令人完全滿意。因此在發(fā)病率高、治療效果差的背景下,針對痛風(fēng)做出大量研究是十分必要的。

在中心法則DNA-mRNA-蛋白質(zhì)的信息流中,DNA 決定 “可以發(fā)生什么”,RNA 說明“可能發(fā)生什么”,蛋白質(zhì)體現(xiàn)“正在發(fā)生什么”,代謝物闡明“已經(jīng)發(fā)生了什么”[18]。系統(tǒng)生物學(xué)通過研究基因組、蛋白組和代謝組等,闡明痛風(fēng)發(fā)病機理,提高診斷和治療技術(shù),促使現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的進一步發(fā)展[19]。通過差異表達(dá)的ncRNA 區(qū)分不同的痛風(fēng)病理分期,顯示這些ncRNA 可以預(yù)測痛風(fēng)的臨床結(jié)局。這些結(jié)果表明,ncRNA 正在從基因組的“暗物質(zhì)”中出現(xiàn),作為表明疾病復(fù)發(fā)和進展的生物標(biāo)記物的新來源,仍需要進一步的研究來進一步證明這些ncRNA 生物標(biāo)記物在疾病發(fā)展中的特定作用。

一般來說,蛋白組學(xué)是選擇差異表達(dá)的蛋白質(zhì),并通過基質(zhì)輔助激光解吸/電離飛行時間質(zhì)譜(MALDI-TOF-MS)和數(shù)據(jù)庫搜索進行鑒定,獲得了具有高分辨率和重現(xiàn)性的二維電泳(2-DE)譜圖[20]。除此之外,還可以通過蛋白組學(xué)觀察蛋白質(zhì)之間的功能,探究細(xì)胞間信號傳導(dǎo)和相互作用以及系統(tǒng)發(fā)育和功能以得知細(xì)胞死亡和存活[21]。在蛋白質(zhì)組學(xué)的研究中,為了對生物質(zhì)譜實驗期間獲得的結(jié)果有說服力,系統(tǒng)的質(zhì)量控制方法至關(guān)重要。但為此目的只采取了零星的舉措,而往往沒有標(biāo)準(zhǔn)化,需要為質(zhì)量控制數(shù)據(jù)提供一個統(tǒng)一的框架,完善基于MS的工作流程的廣泛質(zhì)量控制的基本技術(shù)。

大數(shù)據(jù)化的時代到來,對于處理差異表達(dá)基因和蛋白的數(shù)據(jù)有進一步的發(fā)展,強大的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法已越來越多地用于對生物評分和/或一個或多個交互網(wǎng)絡(luò)的多個集合進行綜合分析[22]。例如,可以基于現(xiàn)存文獻(xiàn)數(shù)據(jù)通過GO (gene ontology)、KEGG 通路等生物信息學(xué)分析,進一步挖掘與疾病相關(guān)的基因和通路[23-24]。在生物體特定狀態(tài)下,結(jié)合轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組的表達(dá)譜的全景圖研究傾向于利用蛋白組和轉(zhuǎn)錄組研究的差異和互補性。

未來要將轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)和代謝組學(xué)等多組學(xué)數(shù)據(jù)進行整合分析,利用數(shù)據(jù)挖掘的基本方式,解決存在的問題以及后基因組醫(yī)學(xué)的潛在發(fā)展。探討疾病與生物大分子之間的機制,為基礎(chǔ)研究及臨床應(yīng)用提供可供參考的依據(jù)。