Gastroenterology | 血清代謝組探索IBD病因和治療新靶點

麥特繪譜

2022.7.01

炎癥性腸病（IBD）包括克羅恩?。–D）和潰瘍性結腸炎（UC），已成為影響數(shù)百萬人的全球性疾病。IBD是由多基因和環(huán)境因素引發(fā)的胃腸道復雜黏膜免疫反應，并在臨床、遺傳和分子水平觀察到的異質性疾病，體現(xiàn)在個體的代謝組水平的不同差異。西奈山伊坎醫(yī)學院Ke Hao等研究團隊整合了血清、糞便代謝組和基因組數(shù)據(jù)，使用已知的IBD風險位點進行遺傳共定位和孟德爾隨機化分析，以探索代謝物與IBD的因果關聯(lián)，相關成果發(fā)表于《Gastroenterology》。

代謝物區(qū)分IBD病例和HC

本研究納入484名潰瘍性結腸炎（UC）患者、464名克羅恩病（CD）患者和365名對照者經遴選最終獲得973例血清（284例CD，360例UC和329例對照HC）和261例糞便（88例CD,101份UC，和72例HC）（圖1A）。非靶向代謝組學技術檢測到1435個糞便代謝物（345個未知）和1292個血清代謝物（291個未知）的半定量值，血清和糞便共有的代謝物778個，同時也檢測了8種短鏈脂肪酸的豐度。

圖1. 研究流程

獲得血清和糞便中的差異代謝物（DMs）（圖2A）：（1）IBD與HC（436血清，692糞便），（2）CD與HC（240血清，478糞便），（3）UC與HC（442血清，609糞便），和（4）CD與UC（175血清，無糞便）；或與（5）HBI（147-血清，6-大便），（6）簡單臨床結腸炎活動指數(shù)（SCCAI）（296-血清，69-大便），（7）CD簡單內鏡評分（SESCD）（370-血清，94-大便），（8）Mayo疾病活動評分（202血清，64糞便）。

對DMs進行通路富集分析（圖2B），與疾病狀態(tài)或活動度相關的糞便代謝物富含脂質、鞘磷脂、溶血縮醛磷脂、溶血磷脂、磷脂酰膽堿和二肽。而血清代謝物卻富含纖維蛋白原裂解肽、黃嘌呤和色氨酸代謝產物，區(qū)分CD和UC的血清代謝物在纖維蛋白原裂解肽和二?；视皖愔懈叨雀患Ｅc對照組相比，IBD病例糞便或血清中的SCFA水平較低，或與疾病活動指標呈負相關，但血清或糞便中的丁酸鹽與各類IBD均無顯著相關性（圖2C）。

圖2. 與各型IBD顯著相關的血清和糞便代謝物

mQTL分析揭示血清代謝物新位點

對血清代謝物進行全基因組關聯(lián)研究（GWAS），并在63個非重疊基因座內鑒定了173種遺傳控制的代謝物，將本研究發(fā)現(xiàn)的代謝物數(shù)量性狀位點（mQTL）與最近發(fā)表的所有GWAS和外顯子組測序研究進行比對，確定了9個新的mQTLs，其中7個位于新基因座上，觀察到80種血清代謝物與先前確定的位點存在新的關聯(lián)，另有93種關聯(lián)驗證了其他研究的結果。

血清丁酸鹽水平與IBD風險無關

SCFAs的mQTL顯示血清丁酸水平與Chr12上一個區(qū)域的新關聯(lián)（圖3A）。丁酰甘氨酸是該位點的第二個新型mQTL，與乙基丙二酸鹽、甲基琥珀酸鹽和丁酰肉堿相關，在本研究中重復了3個，乙酰輔酶A脫氫酶（ACADS）的變化是這些關聯(lián)的基礎，因為5種代謝物都可以直接與短鏈酰基輔酶A脫氫酶（SCAD）功能相關聯(lián)（圖3C），SCAD缺乏癥是基于相同代謝物水平升高的生化診斷。使用共定位分析ACADS基因座內血清丁酸鹽水平和IBD風險之間是否存在遺傳變異，結果沒有單核苷酸多態(tài)性（SNP）超過顯著閾值，表明IBD和丁酸鹽之間缺乏共同的遺傳起源（圖3B）。根據(jù)rs35599677的基因型和疾病狀態(tài)分離隊列，rs35599677與糞便和血清中的丁酸水平無顯著關聯(lián)，表明IBD不受血清丁酸水平的影響。

圖3. 血清丁酸鹽與IBD特征無關

IBD風險位點與代謝物GWAS位點的共定位和MR檢驗

為了將本研究的mQTL聚焦到IBD上，特別是尋找與IBD因果相關的代謝物，研究人員將代謝物控制基因座與已知的IBD風險基因座相交。在868個非重疊基因座中篩選到58,400個風險變異。從本研究中鑒定的173種遺傳控制的代謝物中，17種可以注釋為受4個不同IBD風險位點中的1個遺傳變異控制（見下表）。對于這17種代謝物，對每個確定的基因座中的IBD風險進行共定位分析，獲得了Chr11和 Chr14兩個基因座的陽性共定位信號，表明IBD和CD風險與15種獨有血清代謝物之間共享因果變異，IBD風險與X-11470代謝物水平（chr6、MSH5、SAPCD1）和纖維蛋白肽A（3-15）水平（chr5、CAST、ERAP）之間缺乏共定位。此外，受IBD風險變異控制的分子均未顯示出與UC風險共定位的證據(jù)。

為了評估代謝物水平對疾病風險的因果影響，研究者使用MR遺傳工具變量（GIV）來估計代謝物暴露對結果（IBD、CD和UC風險）的影響，確定了3個核心的GIV：（1）與代謝物暴露的強關聯(lián)；（2）與潛在的混雜因素無關；（3）GIV僅通過所測試的代謝物暴露對疾病風險起作用。作者為17種候選代謝物中的每一種選擇GIV，這些代謝物是主要代謝組GWAS變異，也是IBD風險變異，17種代謝物中有 11 種顯示出高度顯著的遺傳效應，適用于MR。

IBD 遺傳風險變異控制的代謝物

血清omega-6代謝物與CD風險相關

兩個GIV在MR分析中顯示出顯著的OR，預估CD風險與Chr11基因座上含有脂質的omega-6 PUFA之間共定位的高后驗概率（圖4A）。該區(qū)域包含脂肪酸去飽和酶（FADS）基因簇（FADS1/FADS2），已知其遺傳變異可改變PUFA去飽和活性和血清的脂質組成。脂質含有FADS酶的omega-6 PUFA產物1-（1-enylpalmitoyl）-2-arachidonoyl-GPC（P-16:0/20:4）*，1-arachidonoyl-GPC（20:4））*，1-palmitoyl-2-arachidonoyl-GPC（16:0/20:4n6）， 1-stearoyl-2-arachidonoyl-GPC（18:0/20:4）和docosatrienoate （22:3n6）*對CD風險具有保護作用（OR 0.84~0.89）（圖4B）。而含有亞油酸的脂質（FADS的底物）1-oleoyl-2-linoleoyl-GPE（18:1/18:2）*， 1-palmitoyl-2-linoleoyl-GPE（16:0/18:2）和1-stearoyl-2-linoleoyl-GPE（18:0/18:2）*卻對CD存在風險（OR 1.17~1.21）（圖4B）。

本研究發(fā)現(xiàn)與血清omega-6PUFA相關的SNP rs4246215與先前報道的FADS1因果SNP（rs174557）處于連鎖不平衡狀態(tài)，GTEx數(shù)據(jù)庫顯示rs4246215/rs174557與肝和腸組織中FADS1表達呈負相關，rs4246215和血清中含有花生四烯酸的脂質之間存在負相關，可見FADS1活性降低，因此亞油酸向花生四烯酸（AA）的轉化減少（圖4C-D）。

圖4. 必需脂肪酸、FADS1/2和IBD風險之間的遺傳共定位

血清縮醛磷脂水平和候選基因TMEM229B與CD風險的因果關系

研究報告了CD風險和縮醛磷酯1-（1-enyl-palmitoyl）-2-palmitoyl-GPC（P-16:0/16:0）血清濃度之間Chr14區(qū)域共定位的高后驗概率為98.8%，該代謝物與CD風險呈正相關（圖5A-B）。涉及的Chr14區(qū)域包含PLEKHH1和TMEM229B兩個基因。TMEM229B具有編碼特定ABC轉運蛋白IV型的域，貝葉斯網(wǎng)絡模型顯示血漿乙醇胺去飽和酶（TMEM189）作為TMEM229B的相鄰節(jié)點，rs11158671 CD風險變異與全血GTEx數(shù)據(jù)庫中的mRNA豐度呈負相關（圖5C-D）。

以TMEM229B作為驗證的候選基因，鑒于HEK293細胞中的低表達，過表達標記和未標記的TMEM229B并測量總FA。TMEM229B過表達顯著降低了縮醛磷脂衍生的C16和C18與酯化脂質來源的C16和C18比率（圖5E），該比率的變化是由縮醛磷脂衍生的C16和C18水平降低引起的，提示TMEM229B表達與縮醛磷脂水平呈負相關。

圖5. TMEM229B表達和膽堿縮醛磷脂作為CD風險的潛在介質

小結

本研究對大量UC、CD和HC的血清和糞便樣本進行了非靶向和8種SCFAs代謝組學分析，在病例和對照、IBD亞型中確定了多種代謝物的豐度與疾病活動指數(shù)、位置和行為相關的代謝物之間存在顯著差異，后將隊列中的代謝物豐度與已報道的IBD風險基因座整合，在63個不重疊的基因座（7個新的）中發(fā)現(xiàn)了173個基因控制的代謝物（9個新的mQTLs），揭示了（1）基因控制的血清丁酸鹽水平與IBD狀態(tài)或特征無關；（2）推測血清中含有亞油酰的脂質會增加患CD的風險；（3）預測血清中含有AA的脂質將對CD有保護作用；（4）推測血清膽堿縮醛磷脂水平升高會導致CD風險。本研究綜合多組學分析揭示IBD疾病活動的新生物標志物和潛在的病理新機制。

參考文獻

Integrative Analysis of the Inflammatory Bowel Disease Serum Metabolome Improves Our Understanding of Genetic Etiology and Points to Novel Putative Therapeutic Targets. Gastroenterology.?2022.?

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