转录组学、蛋白组学及代谢组学在皮肤领域的应用

李倩, 张锡宝, 梁景耀

1.广州医科大学皮肤病研究所， 2.广州市皮肤病防治所，广东 广州 510095

“转录组学”概念最早于1991年提出[1]，其研究方法主要分为两种类型,一种是基于杂交方法，如基因芯片技术；另一种则是基于高通量测序技术，如基因表达序列分析、RNA测序(RNA sequencing，RNA-seq)。2008年高通量测序技术开始广泛应用于组织或细胞的转录组学研究，并逐步扩展到其他组学[2]。“蛋白质组学”于1994年提出，经将近三十年的发展，目前最常用的分析技术之一为质谱分析，可对不同的取材样本如皮肤毛囊活检、抽吸水疱、胶带剥离等进行对应组织层次的蛋白质组学分析[3]。1999年“代谢组学”一词被首次提出[4]，意为代谢产物的定量测定，在2000年再次被定义为在有限条件下对特定生物样本中所有代谢物的定性和定量分析[5]。转录组学、蛋白组学和代谢组学已广泛应用于皮肤疾病研究，如皮肤发育和稳态调控、皮肤肿瘤、遗传性皮肤病、免疫性皮肤病、光老化及结缔组织病等，发现了各种皮肤疾病发生、发展的新信号途径、机制，筛选出许多新型潜在治疗靶点[1,6]。本文就以上三个组学及其联合分析在皮肤领域中的最新研究应用作一综述。

1 转录组学在皮肤领域的应用

转录组学是指在特定细胞类型、组织或生物体中针对特定条件转录的完整基因转录本或 RNA 种类，从RNA水平上研究基因表达、基因转录调控。近年来，转录组学在皮肤相关疾病中的应用报道逐渐增多，自身免疫性疾病、感染性疾病、皮肤肿瘤、皮肤光老化等均有涉及。张静等[7]通过基因表达谱芯片、miRNA 芯片以及生物信息学综合分析了银屑病皮损组织和健康人皮肤组织，发现了差异表达的1 139个mRNA 和16个miRNA；将其中3个miRNA(miR-199a-3p、miR-199b-3p和miR-140-3)匹配入库并取交集得到168个差异表达的mRNA，对mRNA进行KEGG(kyoto encyclopedia of genes and genomes)富集分析发现其主要参与代谢活动、多种信号通路过程及多种疾病的发生，例如黑素瘤和心肌病。银屑病是一种全身慢性炎症性疾病，促炎因子如TNF-α长期的增高可促进心肌细胞溶解[8]和心肌纤维化[9]，导致心肌收缩功能障碍和心室内传导障碍。有研究报道，银屑病患者扩张型心肌病的患病率约为正常人的10倍以上[10]。该研究通过比较转录组学提示，某些差异表达mRNA和miRNA可能涉及银屑病易并发疾病如扩张型心肌病的发病机理。

血清固定是梅毒患者接受正规治疗后发生率较高的一种临床现象，其机制尚不清楚。Jia等[11]分析血清固定患者、二期梅毒患者及健康人的外周血单个核细胞的miRNA差异表达谱，与二期梅毒组和健康组比对，梅毒血清学固定组中发现了15个上调的差异表达miRNA，这些miRNA主要与受体生物合成和T细胞分化有关，提示梅毒血清固定可能与宿主的免疫状态密切相关。miR-548b被发现只存在于梅毒血清学固定患者中，推测miR-548b可能通过抑制梅毒螺旋体增殖、入侵导致血清固定反应。一项转录组学研究比较了健康人、未经治疗的梅毒患者、血清学固定患者和血清学转阴患者miRNA差异表达，发现hsa-miR-195-5p、hsa-miR-223-3p、hsa-miR-589-3p在血清学固定和血清学转阴患者存在显著性差异；hsa-miR-195-5p在未治疗的患者和健康人中亦存在显著差异[12]，提示这3个miRNA有可能成为新的诊断梅毒的非侵入性重要生物标志物，为研究梅毒血清学固定提供新的研究方向。

Liang等[13]通过高通量circRNAs测序对重度痤疮患者的皮损与非皮损组织进行分析，发现了271个上调及267个下调circRNAs;GO(gene ontology)分析及KEGG富集分析显示差异表达circRNAs主要参与炎症、免疫及代谢反应。该研究首次提出了circRNAs可能在重度痤疮发病过程存在差异表达。

为了解光老化皮肤与生理老化皮肤的转录组差异，分析Genotype-tissue expression(GTEx)光保护和光暴露部位的公开RNA测序数据，发现光暴露组多种参与皮肤发育的基因出现显著上调，并且脂质代谢下调及血管发育相关基因上调被认为是光暴露组的特征[14]。该研究对转录组数据库中相关RNA测序数据进行挖掘及生物信息学分析，为皮肤年轻化提供潜在新治疗靶点。

2 蛋白质组学在皮肤领域的应用

蛋白质组学采用质谱、二维凝胶电泳、生物信息学等技术对细胞蛋白质进行整体分析，可以对基因组学方法和转录组学方法进行补充，是探索疾病诊断和预后的生物标志物、新治疗靶点及遗传分析的重要工具。蛋白质组学常用技术有基质辅助激光解吸电离、表面增强激光解吸电离、电喷雾电离、二维凝胶电泳、蛋白质微阵列等[15]。

接触性皮炎与银屑病、特应性皮炎等非过敏性皮肤病表现出相似的皮肤屏障受损和皮肤炎症，为识别三种疾病的蛋白组学特征，Wang等[16]对银屑病、特应性皮炎、接触性皮炎、同时患有特应性皮炎和接触性皮炎患者及健康对照的血清进行高通量蛋白质组学分析，发现特应性皮炎较于银屑病和接触性皮炎，IgE、胸腺和激活调节趋化因子(thymus and activation regulated chemokine,TARC)和巨噬细胞衍生趋化因子(macrophage-derived chemokine，MDC)明显升高，且TARC、MDC与SCORAD评分显著相关，TARC、MDC可能评估特应性皮炎严重程度；银屑病患者血清中的Kynureninase (KYNU)相比其余四组明显上调。银屑病转录组学研究中[17-18]，KYNU mRNA水平也被发现上调，提示KYNU有可能是银屑病的独特生物标志物。

皮肤屏障可防止环境过敏原和病原微生物入侵[19]，免疫失调、终末上皮分化缺陷(如微丝蛋白缺乏)、抗菌肽缺乏、角质层细胞间脂成分改变、皮肤微生物菌落改变等多种因素均可导致皮肤屏障受损[20]。为研究长期暴露于柴油机尾气对皮肤原代角质形成细胞的影响，Rajagopalan等[21]采用定量蛋白组学对暴露于柴油机尾气的角质形成细胞研究表明，多个影响皮肤屏障和完整性的相关蛋白表达显著下调，如半胱氨酸蛋白酶抑制剂A和B、sciellin、角蛋白A和B、Ⅰ型和Ⅱ型角蛋白家族等；细胞周期和染色体结构、线粒体氧化磷酸化和细胞迁移的相关蛋白表达显著增加，如线粒体复合物Ⅰ和Ⅲ的部分蛋白组分、基质金属蛋白酶14、整合素β1和α2等。而该研究提示，维生素E处理能够减轻柴油机尾气颗粒提取物及其蒸气对皮肤的不良影响，对长期尾气暴露皮肤管理具有一定指导意义。

蛋白质组学是补充遗传疾病分析的有力工具，一项研究比较三种不同基因突变(PNPLA1、TGM1、SDR9C7)的先天性常染色体隐性遗传性鱼鳞病(autosomal recessive congenital ichthyosis，ARCI)患者在三个解剖位点(前臂、腿部、前额)的蛋白质差异表达，研究结果示PNPLA1、SDR9C7组与正常对照组的蛋白表达差异较TGM1组有更明显偏离，前臂和腿部与前额的蛋白质谱也存在较大差异[22]。在疾病组中部分角蛋白、连接蛋白和角质包膜蛋白伴有上调，TGM1下调。这为阐明ARCI的基因型与蛋白质组之间的相关性提供了理论基础。

3 代谢组学在皮肤领域的应用

代谢组学是继基因组学和蛋白质组学之后的一种新兴组学，是对基因调控和蛋白质作用网络的下游——所有小分子(分子量小于1 000 Da)内源性代谢物质同时进行定性和定量分析，以寻找出差异代谢物，提供生物学的终端信息。

Le等[23]对皮肤T细胞淋巴瘤(cutaneous T-cell Lymphoma，CTCL)异种移植小鼠的血浆、肿瘤组织及邻近非受累皮肤组织进行代谢组学分析，在血浆样本中发现鞘氨醇-1-磷酸(sphingosine-1-phosphate,S1P)、神经酰胺生物合成显著上调，皮质类固醇生物合成下调。神经酰胺/S1P失衡已被报道与多种疾病相关，如肿瘤[24-26]、气道炎症[27]、神经退行性疾病[28]等。5-磷酸核糖-1核糖焦磷酸(phosphoribosyl pyrophosphate,PRPP)在肿瘤组织中显著上调，且其表达水平与肿瘤直径呈强相关性，提示PRPP有可能作为CTCL的潜在评估与治疗靶点。三磷酸胞苷被发现在邻近非受累皮肤组织中显著上调，主要参与嘧啶脱氧核苷酸和胞苷一磷酸-N-乙酰神经氨酸的生物合成。该研究通过代谢组学筛选出多种邻近非受累皮肤组织的差异代谢物，为寻找和发现有价值的CTCL早期诊断生物标志物提供新思路。

脑脊液中含有多种代谢物，脑脊液代谢物的变化可为中枢神经系统疾病提供生化线索，并可能提供有关疾病生理和诊断标志物的信息。Liu等[29]对神经梅毒、非神经梅毒和无梅毒患者的脑脊液标本进行非靶向代谢组学分析，发现几个显著的差异代谢物，其中神经梅毒患者的N-乙酰-L-酪氨酸水平是非神经梅毒患者的87.369倍，N-乙酰-L-酪氨酸是必需神经递质多巴胺的前体。神经梅毒患者L-古洛糖酸-洛糖内酯水平明显低于非神经梅毒患者，L-古洛糖酸-洛糖内酯是维生素C的直接前体，大脑中维生素C的降低将会导致机体尤其是炎症性神经退行性疾病中氧化应激水平增加。脑脊液中的差异代谢物在神经梅毒发生发展中的具体作用值得进一步探索。Qi等[30]认为胆红素、L-组氨酸、前列腺素E2、α2甘露酸、丁酰-L-肉碱和棕榈酰-L-肉碱可能为神经梅毒的新型潜在生物标志物。

严重的特应性皮炎和胞质分裂作用因子8(DOCK8)缺陷具有一些相同的临床症状，如血清IgE水平升高、嗜酸性粒细胞升高、湿疹样皮损等，仅靠临床症状和实验室检查，在婴幼儿中鉴别DOCK8缺陷患者和特应性皮炎患者具有一定的难度。一项在DOCK8缺陷患者和特应性皮炎患者开展的血清代谢组学分析发现7个主要差异代谢产物，DOCK8缺陷患者的天冬氨酸和3-羟基邻氨基苯甲酸表达上调，而亚牛磺酸、亮氨酰苯丙氨酸、甘氨酰苯丙氨酸、鸟嘌呤核苷和2-氨基辛酸表达下调[31]。天冬氨酸和3-羟基邻氨基苯甲酸对肿瘤均有促进作用[32]，推测与表达下调的代谢物共同导致了DOCK8缺陷者肿瘤易感性和免疫相关的临床表型。这些研究表明代谢组学在疾病鉴别诊断、治疗新靶点发现具有独特优势。

4 多组学联合在皮肤领域的应用

整合多组学数据进行分析可以弥补单一组学数据分析时数据缺失、混杂等因素带来的数据问题，并且多组学数据之间可以进行相互验证，减少单一组学数据分析带来的假阳性，更重要的是多组学数据联合分析能多层次探索生命活动，更有利于对疾病发生完整机制、治疗靶点等的研究。

Hosseini等[33]为研究能量代谢在UVB诱导皮肤原发肿瘤中的作用，采用定量蛋白组学分析人皮肤增生组织、光化性角化病、瘤周皮肤和鳞状细胞癌组织，发现肿瘤与癌前病变有显著的差异蛋白表达。相较于正常皮肤，增生组织参与脂质生物合成的酶明显下调，而参与糖酵解的酶明显上调。UVB辐照8周的小鼠与未辐照小鼠的皮肤蛋白组学分析发现UVB辐照小鼠参与糖酵解、三羧酸循环和脂肪酸β与氧化的多数蛋白质下调，电子传递链部分远端的蛋白质上调。对UVB辐照细胞内游离氨基酸进行定量代谢组学分析并进一步研究发现，还原型谷氨酰胺和二氢乳酸脱氢酶都是保持UVB辐照细胞内高氧化磷酸化水平所必需的物质。该研究根据蛋白水平和代谢水平改变推测二氢乳酸脱氢酶的活性在皮肤癌变过程中扮演着重要作用，能量代谢的变化可能为皮肤肿瘤的预防和治疗靶点。

化脓性汗腺炎(hidradenitis suppurativa，HS)是一种累及皮脂腺单位的慢性复发性疾病，多发生于顶泌汗腺多分布的区域，如腋窝、腹股沟等。HS是一种多因素影响的疾病，如肥胖、吸烟、细菌感染、免疫、遗传等。有研究利用生物信息学综合分析了以往报道关于HS的转录组学和蛋白组学数据，发现在HS皮肤、血液转录组和血液蛋白组中发现补体系统均有不同程度的激活；在血液中补体C5a增加，补体途径近端成分(C3、C4和IC3b)减少；HS皮肤转录组发现皮损皮肤的浆细胞和B细胞的比例显著增加[34]。Gudjonsson等[35]进一步证实了B细胞和浆细胞在HS发病机制中的关键作用，同时也揭示了HS以干扰素-γ、IL-36和肿瘤坏死因子为中心的炎症免疫反应。Brutons酪氨酸激酶和脾酪氨酸激酶信号通路是HS的中心信号转导网络，提示B细胞受体和酪氨酸激酶是HS的潜在治疗靶点。

恶性黑色素瘤(malignant melanoma，MM)是一种来源于黑色素细胞的皮肤恶性肿瘤，耐药性一直是MM治疗上的难题。Echevarr等[36]联合靶向BET和MEK抑制NRASmut黑素瘤，转录组和蛋白质组学分析表明，与细胞周期和DNA复制相关的调控基因及转录因子(TCF19、E2F1和E2F3)显著下调，促凋亡因子Bim上调，caspase-7激活。该研究结果表明，联合BET和MEK抑制剂可通过抑制细胞周期及转录、激活促凋亡信号达到抗肿瘤作用，为耐药性黑素瘤提供了新的治疗策略。分析多个黑素瘤相关的数据集研究成果，包括基因组和表型全关联研究(GWAS和PheWAS)、生物医学、转录组和代谢组学，发现35种可能与20个黑素瘤靶点相互作用的药物，其中有5种药物未曾报道用于黑素瘤治疗[37]。该研究利用生物信息学技术等联合分析已有数据寻找潜在治疗药物，为改善难治性疾病的治疗现状提供了新的选择。

5 结语

转录组学、蛋白组学、代谢组学及其联合分析在皮肤基础和临床研究已广泛应用，通过分析生物样本的组织特征及其亚型，发现敏感生物标志物及药物特异性反应指标，为疾病发病机制研究、疾病鉴别诊断和辅助诊断、疾病风险评估及临床分期等多个方面提供了新的思路。目前组学在皮肤科疾病的研究有限，且单一组学数据具有一定局限性。随各种检测及生物信息技术不断发展和整合，组学特别多组学联合研究将为皮肤病的发病机制系统性研究、各种类型分子诊断及多层次靶向治疗提供可能。