2型糖尿病的代謝組學(xué)研究進展

鄭曉玲綜述，丁大法，游 娜審校

0 引 言

2型糖尿病(type 2 diabetic mellitus，T2DM) 是最常見的慢性代謝性疾病。隨著我國人民生活水平的不斷提高，T2DM的發(fā)病率逐年增加。國際糖尿病聯(lián)盟(IDF)發(fā)布的第九版《糖尿病圖集》顯示，2019年全球糖尿病患病率為9.3%，約合4.63億人，預(yù)計到2045年患病人數(shù)將上升至7億[1]。代謝組學(xué)技術(shù)近年來常用于研究糖尿病發(fā)作前后的代謝物和代謝途徑的變化，使人們有可能進一步了解T2DM的發(fā)病機制，并在疾病的早期預(yù)測，早期診斷和治療中發(fā)揮重大作用。本文就近年來T2DM的代謝組學(xué)研究作一綜述。

1 代謝組學(xué)概述

1.1 代謝組學(xué)的概念代謝組學(xué)是一門新興的學(xué)科，隨著基因組學(xué)，轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的發(fā)展而迅速發(fā)展，在給定的時間和條件下，發(fā)現(xiàn)生物體系(細胞、組織、體液或有機體)受到外部刺激(如基因變異或環(huán)境變化)后，產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物(相對分子質(zhì)量小于1000的小分子)的變化，來進行定性和定量分析的一門科學(xué)，該生物體系中的全套代謝物的集合稱為代謝組[2]。代謝產(chǎn)物是生物過程的最終下游產(chǎn)物，因此，代謝產(chǎn)物的形式隨基因效應(yīng)，基因-基因相互作用和基因-環(huán)境相互作用而變化。與基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)相比，代謝組學(xué)具有快速準(zhǔn)確，分辨率高，靈敏度高和所需樣品量較少的特點。因此，代謝組學(xué)對發(fā)現(xiàn)細胞，組織和體液等的病理生理變化非常有幫助，是發(fā)現(xiàn)疾病相關(guān)生物標(biāo)志物的有效方法[3]。

1.2代謝組學(xué)的研究方法目前常用的代謝組學(xué)檢測技術(shù)主要有核磁共振(nuclear magnetic resonance spectroscopy，NMR)、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS)或液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(liquid chromatography-mass spectrometry，LC-MS)技術(shù)。NMR幾乎不需要樣品預(yù)處理，檢測速度快，不破壞樣品，但其也具有靈敏度低和分辨率差等缺點，可能會導(dǎo)致信號重疊，低豐度代謝物被高豐度代謝物所掩蓋。GC-MS具有較高的分辨率和檢測靈敏度，缺點是樣品前處理工作量大且難以進行新的化合物鑒定[4]。LC-MS具有更高的靈敏度和較廣的檢測范圍，可用于分析相對分子質(zhì)量較高且熱穩(wěn)定性較差的化合物。因此，其更適合用于樣品中復(fù)雜代謝物的檢測。借助以上這些技術(shù)，研究人員既可采用針對特定代謝物的靶向方法，也可采用非靶向方法來檢測盡可能多的代謝物類別，包括代謝數(shù)據(jù)庫中標(biāo)注的未知代謝物[5]。

2 T2DM與相關(guān)代謝組學(xué)產(chǎn)物

T2DM可引起體內(nèi)許多物質(zhì)的代謝異常，如碳水化合物，脂質(zhì)，氨基酸等。通過代謝組學(xué)技術(shù)檢測這些代謝物的異常情況，發(fā)現(xiàn)可預(yù)測糖尿病發(fā)生和發(fā)展的早期生物標(biāo)志物，這對于糖尿病的早期預(yù)防和早期治療至關(guān)重要。近年來，越來越多的學(xué)者研究了T2DM的代謝產(chǎn)物，并根據(jù)代謝產(chǎn)物的差異確定可能的生物標(biāo)志物及其代謝途徑，為有效預(yù)防和治療T2DM提供了重要的理論依據(jù)。

2.1與氨基酸有關(guān)的生物標(biāo)志物越來越多的研究證實，支鏈氨基酸(branched chain amino acids，BCAA)是T2DM的潛在生物標(biāo)志物，其中包括纈氨酸，亮氨酸和異亮氨酸。Newgard等[6]的早期研究發(fā)現(xiàn)BCAA分解代謝增加有助于肥胖相關(guān)胰島素抵抗的發(fā)展。在新加坡進行的一項研究中，胰島素抵抗與血漿BCAA、芳香族氨基酸的含量較高以及谷氨酸與谷氨酰胺的比例升高有關(guān)[7]。其中，肥胖個體的BCAA，芳香族氨基酸和谷氨酸/谷氨酰胺比率與糖尿病前期呈正相關(guān)。Guasch-Ferré等[8]對多達8000人的代謝產(chǎn)物(其中包括1940名T2DM患者)進行Meta分析，也發(fā)現(xiàn)BCAA的增加導(dǎo)致T2DM的相對風(fēng)險增加。在肥胖和胰島素抵抗的動物模型和人類中，白色脂肪組織(white adipose tissue，WAT)中BCAA分解代謝酶的表達水平降低，WAT炎癥和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的增加是WAT中BCAA分解代謝的減少可能原因[9]。腸道菌群中產(chǎn)BCAA細菌的增加和下丘腦胰島素信號傳導(dǎo)受損導(dǎo)致了肝BCAA分解代謝的減少，也導(dǎo)致了肥胖和胰島素抵抗中BCAA的升高[10]。多項研究表明，BCAA及其代謝產(chǎn)物支鏈酮酸會活化mTOR信號傳導(dǎo)，誘導(dǎo)氧化應(yīng)激，引起線粒體功能障礙，更重要的是與胰島素抵抗和葡萄糖的新陳代謝有關(guān)，這些均為糖尿病發(fā)病機制中的關(guān)鍵因素[11-12]。

芳香族氨基酸中的酪氨酸和苯丙氨酸也被發(fā)現(xiàn)有增加T2DM發(fā)生風(fēng)險的作用，而甘氨酸和谷氨酰胺則與T2DM的發(fā)生呈負相關(guān)[8]。Merino等[13]的一項大型前瞻性研究對1150名空腹血糖正常的受試者進行了20年的隨訪，其中有95人逐發(fā)展為T2DM。研究對受試者的血漿代謝物進行LC-MS / MS分析，發(fā)現(xiàn)氮代謝途徑中改變的部分代謝物是T2DM早期發(fā)病的潛在效應(yīng)者，甘氨酸水平的降低和苯丙氨酸水平的升高與T2DM的發(fā)生密切相關(guān)。甘氨酸中間代謝產(chǎn)物β-羥基丙酮酸也被認為是糖尿病的預(yù)測因子，β-羥基丙酮酸改變了肌間神經(jīng)元的興奮性并減少了小鼠的胰島素量。存在葡萄糖耐量受損的受試者中β-羥基丙酮酸與絲氨酸的比例較正常人大大降低[14]。

Wang等[15]對兩千多名患者進行了長達12年的研究，發(fā)現(xiàn)賴氨酸降解產(chǎn)物2-氨基己二酸(2-aminoadipate，2-AAA)是糖尿病的重要預(yù)測指標(biāo)，血漿2-AAA濃度處于上四分位數(shù)的人群在隨訪期內(nèi)患糖尿病的幾率比處于下四分位數(shù)的人群高4倍。2-AAA與脂肪生成和胰島素抵抗有關(guān)。過量的2-AAA水平導(dǎo)致胰島素敏感細胞(肝，骨骼肌和脂肪細胞)中的胰島素信號傳導(dǎo)受損，并導(dǎo)致糖異生異常[16]。

2.2與脂質(zhì)代謝相關(guān)的生物標(biāo)記物T2DM患者常伴有血脂異常。Lu等[17]對中國人群的血清進行LC-MS及GC-MS非靶向代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，T2DM患者的部分游離脂肪酸(棕櫚酸，硬脂酸，油酸和亞油酸)較健康對照者顯著增高。T2DM患者絕對或相對胰島素缺乏會導(dǎo)致葡萄糖利用率低下，然后脂肪酸成為β-氧化的主要能源。該研究同時也發(fā)現(xiàn)T2DM患者的部分酮體(丙酮，乙酰乙酸)的含量顯著增加[17]。Zhao等[18]對741名中國T2DM患者的血漿進行了MS代謝組學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)血漿?；鈮A代謝產(chǎn)物的水平升高與T2DM中的心血管疾病風(fēng)險相關(guān)。

磷脂是所有細胞脂質(zhì)雙層的關(guān)鍵成分。Wang-Sattler等[19]發(fā)現(xiàn)溶血性磷脂酰膽堿和乙酰肉堿可以作為糖尿病前期的生物標(biāo)志物。Razquin等[20]研究發(fā)現(xiàn)溶血磷脂酰膽堿和溶血磷脂酰乙醇胺，鞘磷脂和膽固醇酯與T2D風(fēng)險呈負相關(guān)。三?；视停；视秃土字Ｒ掖及放cT2D風(fēng)險呈正相關(guān)。一項基于1H NMR的研究中也發(fā)現(xiàn)溶血磷脂酰膽堿和磷脂酰膽堿的代謝產(chǎn)物與T2DM呈負相關(guān)[21]。Lai等[22]對有妊娠期糖尿病病史的婦女進行了一項前瞻性研究，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)后最終患有T2DM的女性早期即出現(xiàn)了血漿二?；视土字暮吭黾右约扒柿字王；榛视土字臏p少。

2.3與糖代謝有關(guān)的生物標(biāo)記物葡萄糖升高是糖尿病的代謝特征，這歸因于非碳水化合物來源的葡萄糖產(chǎn)量增加(糖異生)和糖原分解。在糖酵解開始時，葡萄糖在細胞中轉(zhuǎn)化為丙酮酸。Lu等[23]發(fā)現(xiàn)T2DM患者的血清丙酮酸濃度高于正常對照組，這表明T2DM患者的糖酵解增加。胰島素抑制肝葡萄糖生成的主要機制是通過抑制WAT中的脂解作用而減少肝乙?；鵆oA，減少丙酮酸羧化酶活性的變構(gòu)調(diào)節(jié)，從而導(dǎo)致丙酮酸減少。而炎癥和巨噬細胞誘導(dǎo)的WAT脂解則反過來導(dǎo)致T2DM，體現(xiàn)為丙酮酸升高[24]。乳酸脫氫酶在低氧條件下催化丙酮酸向乳酸的轉(zhuǎn)化。在有氧條件下，丙酮酸轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A，然后進入三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle，TCA cycle)，生成ATP。TCA循環(huán)也稱為檸檬酸循環(huán)。在近期一項基于1H NMR的研究中發(fā)現(xiàn)T2DM患者的丙酮酸、乳酸、檸檬酸水平升高，同時T2DM患者血清中琥珀酸，肌酸和肌酸酐等三羧酸循環(huán)的中間產(chǎn)物水平也較健康對照組升高[21]。但是在T2DM的患者的尿液中，三種TCA循環(huán)中間體，琥珀酸，富馬酸和蘋果酸的水平被顯著下調(diào)[25]。然而，Liu等[26]的一項針對T2DM的慢性腎病患者的實驗中顯示，尿檸檬酸水平較腎功能正常的T2DM患者低，但乳酸，富馬酸和蘋果酸水平明顯較高。

1,5-脫水葡萄糖醇(1,5-Anhydroglucitol，1,5-AG)是體內(nèi)主要的多元醇，結(jié)構(gòu)與葡萄糖相似，能夠反映出T2DM患者短期的葡萄糖狀態(tài)，餐后高血糖和血糖變異性[27]。Tavares等[28]的研究發(fā)現(xiàn)1,5-AG的水平下降可預(yù)測大量蛋白尿性糖尿病腎病的慢性腎病進展。Carina等[29]對健康人群、處于糖尿病前期人群和糖尿病患者行OGTT試驗，發(fā)現(xiàn)糖尿病前期人群及糖尿病患者血漿中麥芽糖，海藻糖，果糖，甘露糖水平較正常人群上升，而1,5-AG和景天庚酮糖下降。Suhre等[30]的病例對照研究顯示，T2DM患者的血漿1,5-AG水平較健康個體低約37.8%，而葡萄糖，脫氧己糖，甘露糖和二己糖水平升高。Drogan等[31]的前瞻性研究發(fā)現(xiàn)己糖與T2DM呈正相關(guān)，而較高濃度的糖醇和脫氧己糖則分別降低了約60%和70%的糖尿病發(fā)病幾率。

3 代謝組學(xué)與多組學(xué)的聯(lián)合

越來越多的證據(jù)表明，腸道菌群在T2DM的發(fā)生發(fā)展中具有重要意義?；蚪M學(xué)技術(shù)如宏基因組測序和16S rRNA高通量測序，是目前較為常用的微生物組測序技術(shù)，可明確腸道菌群的多樣性、組成、結(jié)構(gòu)分布、功能等。然而基因的存在并不一定意味著該基因已表達。因此，分別使用宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)或宏蛋白質(zhì)組學(xué)直接測量轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物或蛋白質(zhì)，已成為宏基因組學(xué)的重要補充方法。目前，整合宏基因組學(xué)、宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)、宏蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)等多組學(xué)數(shù)據(jù)，對腸道菌群進行綜合分析至關(guān)重要[32]。

Pedersen等[10]進行的研究整合了受試者胰島素敏感性，腸道微生物組和空腹血清代謝組的數(shù)據(jù)。研究人員發(fā)現(xiàn)胰島素抵抗個體的血清代謝組學(xué)特征是BCAA水平升高，這與腸道微生物組有關(guān)，該腸道微生物組具有豐富的BCAA生物合成潛力，并且缺乏編碼BCCA向細菌內(nèi)轉(zhuǎn)運所需轉(zhuǎn)運蛋白的基因。而普氏菌(P.copri)和普通擬桿菌(B.vulgatus)則被鑒定為驅(qū)動BCAA生物合成與胰島素抵抗之間聯(lián)系的主要物種。Zhou等[33]從106名受試者中獲取了約四年的樣本，并對其轉(zhuǎn)錄組，代謝組，細胞因子和蛋白質(zhì)組以及微生物組的變化進行了研究，將獲得的大量數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，胰島素抵抗和胰島素敏感個體之間腸道微生物、宿主免疫力和代謝模式不同。如在胰島素敏感的受試者中，Barnesiella屬與IL-1β正相關(guān)；在胰島素抵抗的受試者中，Butyricimonas屬與四種脂質(zhì)呈負相關(guān)，也與糖代謝失調(diào)有關(guān)。

由于所收集數(shù)據(jù)的復(fù)雜性和多樣性的增加，集成多組數(shù)據(jù)不易，需要使用新興的統(tǒng)計方法。盡管具有很大的挑戰(zhàn)性，但多組學(xué)數(shù)據(jù)的集成為宿主-微生物組相互作用的研究提供了可能。

4 結(jié)語與展望

近年來，代謝組學(xué)在疾病診治、器官移植、評價藥效等方面已有部分應(yīng)用[34]。隨著代謝組學(xué)的應(yīng)用和快速發(fā)展，對T2DM發(fā)病機理的認識已經(jīng)更加系統(tǒng)化和清晰化。代謝組學(xué)通過檢測體內(nèi)大量內(nèi)源性代謝物的變化來發(fā)現(xiàn)T2DM及其并發(fā)癥病理生理過程的生物標(biāo)志物。未來如果將這些生物標(biāo)志物應(yīng)用到臨床診療中，不僅使T2DM的預(yù)測、早期診斷、治療和預(yù)后判斷成為可能，還能預(yù)測和監(jiān)測藥物治療效果，成為精準(zhǔn)化藥物治療的有力工具[35]。同時代謝組學(xué)與多組學(xué)數(shù)據(jù)的集成也幫助我們?nèi)媪私饽c道環(huán)境，宿主代謝和T2DM發(fā)病機制之間的復(fù)雜相互關(guān)系，找到新的診斷、治療方法，為實現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)鋪平道路。