转录组学与蛋白组学在痛风的研究进展

孙广瀚, 刘 健,龙 琰,鲍丙溪,张 颖

安徽中医药大学 第一附属医院,合肥 230031

痛风是一种关节疾病,其特征是尿酸单钠(MSU)晶体在关节及其周围组织中积聚,导致持续的高尿酸血症,属于代谢性的风湿病[1]。近年来,我国痛风发病率呈上升趋势。通过系统回顾及meta分析,发现我国大陆地区的痛风患病率为1.1%[2]。转录组学与蛋白组学都是在整体水平上研究细胞中基因转录或蛋白的学科。高通量转录组测序可以生成大量数据来分析与表型信息相关的基因,从而阐明了基因特定性状的作用。蛋白质组作为基因组的功能翻译是触发致病作用的基因组机制的直接表示。蛋白质组学在痛风中的运用有利于确定疾病发展的机制,筛选出可以早期诊断的生物标志物,为个性化治疗提供新的治疗靶标。对转录组、蛋白组越来越多的研究集中在痛风中的生理病理机制、治疗痛风药物药理、中医证型等方面。本文在分析、借鉴最新研究成果的基础上,就转录组学与蛋白组学在痛风中的应用作一综述。

1 痛风的转录组分析

1.1 全转录组测序分析

尽管单细胞RNA 测序(RNA-seq)技术仍需要较高的实验成本和较长的实验周期,但是可以提供详细的聚类特征以探索决定性因素[3]。随着对基因的深入认识及高通量技术的应用渐趋成熟,非常需要开发可以用于鉴定发育特征的有效基因的计算方法,通过构建基因表达评分系统,或根据痛风基因表达谱特点进行分型,以在分子水平上全面了解基因调控网络和病理机制对疾病的影响。党万太等[4]通过RT-PCR 检测痛风患者外周血单个核细胞中核苷酸结合寡聚化结构域样受体3(NLRP3)炎性体基因及其转录剪接体 mRNA 的表达,探讨NLRP3炎性体基因及其转录剪接体mRNA 表达异常。在研究中药时,在痛风疾病中的作用也具有重要影响。朱伟坚[5]通过转录组测序技术探索从蝉花虫草中分离提取了镇痛活性物质N6-(2-羟乙基)腺苷(N6-(2-hydroxyethyl)-adenosine,HEA)对痛风模型大鼠Adora1、Adora2a相关基因的调控,结果mRNA表达中932 个基因差异表达,其中A1R 与A2AR上调表达。这些可能的调控通路,为痛风治疗提供新策略,也为今后的深入研究打下基础。

1.2 非编码RNA 测序分析

大多数人类转录组定义为非编码RNA(ncRNA)。最近有研究[6-7]证明,ncRNA 可以编码蛋白质或肽,在转录后、翻译、表观遗传等不同层面参与细胞生物学过程,在生理和病理过程中起着重要作用。ncRNA 包括长链非编码RNA(long noncoding RNA,lnc RNA)、环状RNA(circular RNA,circ RNA)和微小RNA(micro RNA,mi RNA)。越来越多的证据支持ncRNA 在染色质功能的许多方面起着核心作用。例如,ncRNA 可以充当支架,用于将某些染色质修饰复合物募集到基因组内的特定位点。

由于ncRNA 在活生物体中高度丰富,并且已发现其在许多生物过程中起着重要作用,越来越需要具有公正态度进一步研究整个ncRNA。ncRNA转录物可以通过转录和转录后调控成为基因调控因子,有希望成为痛风的诊断标志物。姚承佼[8]在痛风患者中研究发现 AJ227913、AK001903、ENSG00000239182的表达都上调,lnc-CCDC64B-1∶8的表达下降。痛风的发病机制主要包括nf-κB信号通路、NOD 样受体蛋白3炎性小体信号通路和腺苷三磷酸-嘌呤能配体门控离子通道7 信号通路,而lnc RNA 与这些信号通路都具有一定的调节机制[9]。最近研究转录组的下一代测序(NGS)技术可以探究ncRNA 的调控途径和新功能,将极大地提高转录组研究的通量[10]。

2 痛风的蛋白组分析

在痛风急性发作期和痛风恢复期两组的蛋白质组范围内的分析显示,低水平的复合物髓样相关蛋白8(MRP-8)和复合物髓样相关蛋白14(MRP-14)和高水平的白细胞介素8(IL-8)/CXCL8是差异表达最大的蛋白质[11]。蛋白质组学中质谱分析(MS)是主要技术,使得能够鉴定各种类型样品中具有病理学意义的蛋白质,辅助蛋白质组学为痛风生物标志物的发展做出贡献,为临床测试奠定了基础,阐明痛风的分子机制[12]。基于MS 的临床蛋白质组学方法被引入生物医学领域已经有二十多年的历史[13]。蛋白组学有利于发掘生命现象的表层原因,借助蛋白组学可以研究痛风中不同证型的蛋白质基础,如李荣群[14]应用MS分析痰湿质痛风人群和平和质正常人群的血浆蛋白表达后发现,痰湿质痛风人群有5个蛋白质分子(Apolipoprotein C-Ⅱ、Zinc finger protein562、Clusterin、Apolipoprotein AI、Transthyretin)表达量上调,同时有3个蛋白质分子(SAPS domain family,member2、LTBP3、Retinolbinding protein4)表达量下调。从宏观方面发现痛风的发病是由体质、生活习惯和环境因素的相互作用结果,根据痛风不同中医体质可以进行差异蛋白特征研究。

蛋白质组学在治疗痛风药物的应用,例如化学蛋白质组学,蛋白质表达谱分析,靶向蛋白质定量,蛋白质-蛋白质相互作用分析和翻译后修饰,已被药学研究的各个领域广泛使用,蛋白质组学的技术进步将进一步加快治疗痛风药物的研发[15]。沈丽津[16]在痛风患者中基于蛋白质组学技术和结合生物学功能分析,鉴定GSN 等异常蛋白具有作为诊断痛风指标的潜在价值。应颖[17]应用同位素标记(iTRAQ)标记技术结合液相色谱串联质谱技术发现基因ABCG2、SLC2A9和P2RX7 的甲基化水平与痛风的发病相关。由此可见,基于网络的蛋白质组学发挥其潜力并为临床应用做出有意义的贡献至关重要。

3 总结

痛风是一种由于血清尿酸盐(SU)升高引起的慢性疾病,属现代高发、频发的风湿代谢病,其多基因、多因素及个体性的特征,病理机制尚未完全阐明。尽管存在有效的痛风治疗方法,而且由于药物依从性低以及与指导原则不一致的治疗方法,临床疗效也未能令人完全满意。因此在发病率高、治疗效果差的背景下,针对痛风做出大量研究是十分必要的。

在中心法则DNA-mRNA-蛋白质的信息流中,DNA 决定 “可以发生什么”,RNA 说明“可能发生什么”,蛋白质体现“正在发生什么”,代谢物阐明“已经发生了什么”[18]。系统生物学通过研究基因组、蛋白组和代谢组等,阐明痛风发病机理,提高诊断和治疗技术,促使现代医学的进一步发展[19]。通过差异表达的ncRNA 区分不同的痛风病理分期,显示这些ncRNA 可以预测痛风的临床结局。这些结果表明,ncRNA 正在从基因组的“暗物质”中出现,作为表明疾病复发和进展的生物标记物的新来源,仍需要进一步的研究来进一步证明这些ncRNA 生物标记物在疾病发展中的特定作用。

一般来说,蛋白组学是选择差异表达的蛋白质,并通过基质辅助激光解吸/电离飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)和数据库搜索进行鉴定,获得了具有高分辨率和重现性的二维电泳(2-DE)谱图[20]。除此之外,还可以通过蛋白组学观察蛋白质之间的功能,探究细胞间信号传导和相互作用以及系统发育和功能以得知细胞死亡和存活[21]。在蛋白质组学的研究中,为了对生物质谱实验期间获得的结果有说服力,系统的质量控制方法至关重要。但为此目的只采取了零星的举措,而往往没有标准化,需要为质量控制数据提供一个统一的框架,完善基于MS的工作流程的广泛质量控制的基本技术。

大数据化的时代到来,对于处理差异表达基因和蛋白的数据有进一步的发展,强大的数据转换方法已越来越多地用于对生物评分和/或一个或多个交互网络的多个集合进行综合分析[22]。例如,可以基于现存文献数据通过GO (gene ontology)、KEGG 通路等生物信息学分析,进一步挖掘与疾病相关的基因和通路[23-24]。在生物体特定状态下,结合转录组和蛋白质组的表达谱的全景图研究倾向于利用蛋白组和转录组研究的差异和互补性。

未来要将转录组学、蛋白组学和代谢组学等多组学数据进行整合分析,利用数据挖掘的基本方式,解决存在的问题以及后基因组医学的潜在发展。探讨疾病与生物大分子之间的机制,为基础研究及临床应用提供可供参考的依据。