全基因組代謝組學(xué)模型在揭示長壽秘訣之脂肪酸氧化升高中的應(yīng)用
全基因組代謝組學(xué)模型揭示長壽秘訣：脂肪酸氧化升高
文章標(biāo)題：System-level metabolic modeling facilitates unveiling metabolic signature in exceptional longevity
發(fā)表期刊：Aging Cell
影響因子：9.304
合作客戶：中科院昆明動物研究所
百趣生物提供服務(wù)：非靶全代謝
研究背景
眾所周知，代謝控制在調(diào)節(jié)各種生物體的健康壽命和壽命方面起著至關(guān)重要的作用，但對百歲老人的系統(tǒng)代謝剖面，即人類健康老化和長壽的范式知之甚少。同時，如何很好地描述感興趣生物系統(tǒng)水平的代謝狀態(tài)仍然是系統(tǒng)代謝研究的一大挑戰(zhàn)。
為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，更好地理解健康衰老的代謝機制，我們開發(fā)了一種全基因組精確代謝建模(GPMM)方法，該方法能夠定量整合轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組和運動學(xué)組數(shù)據(jù)，在代謝網(wǎng)絡(luò)預(yù)測建模中�；鶞�(zhǔn)分析表明，GPMM成功地表征了NCI-60細胞株的特征代謝重編程;與現(xiàn)有方法相比，預(yù)測和實驗測量之間的R2為0.86，極大地改善了建模的性能。
利用這種方法，檢測了中國百歲人群的代謝網(wǎng)絡(luò)，并確定脂肪酸氧化升高(FAO)是這些長壽個體最顯著的代謝特征。
研究結(jié)果
值得注意的是，GPMM實現(xiàn)了一些未包含在最先進的COBRA方法工具箱（COBRA toolbox v3.0）中的計算機分析，因此可以廣泛應(yīng)用于代謝組學(xué)工程和治療。此外，GPMM可用于精確醫(yī)學(xué)的個性化代謝組學(xué)建模。
Warburg效應(yīng)是NCI- 60細胞中最重要的癌癥標(biāo)志之一。因此，我們將預(yù)測的乳酸分泌通量與實驗值進行了比較，發(fā)現(xiàn)GPMM很好地預(yù)測了NCI-60細胞的乳酸分泌（R2=0.86，p=2.2e-24）（圖1e）。
接下來，我們應(yīng)用GPMM來研究這個隊列中長壽的代謝組學(xué)特征。我們總共建立了171個基于白細胞轉(zhuǎn)錄組信息的GPMM個體代謝模型。每個模型包含3977個反應(yīng)，可分為4個功能成分:營養(yǎng)攝取(22個反應(yīng))、代謝轉(zhuǎn)運(2478個反應(yīng))、酶催化反應(yīng)(1103個反應(yīng))和分泌與需求反應(yīng)(374個反應(yīng))(圖2a)。
通過比較百歲老人和年輕對照組(即F1SPs)的代謝特征差異，并調(diào)整年齡和性別的影響，我們獲得了343個上調(diào)和90個下調(diào)的通量。所有四種代謝過程中最顯著的特征一致表明，長鏈脂肪酸β -氧化(FAO)在百歲老人中升高。例如，在營養(yǎng)吸收成分中，長鏈脂肪酸(即十八烯酸和十八烯酸)和氧吸收在CENs中顯著升高(圖2b);在代謝物轉(zhuǎn)運成分中，長鏈脂肪酸氧化(即過氧化物酶體和線粒體)在亞細胞器中的轉(zhuǎn)運也在這些長壽個體中升高(圖2d)。同樣，酶催化組分顯示，細胞脂肪酸儲存(即三�；视秃铣�)、FAO、丙酮酸代謝、支氨基酸代謝、三羧酸(TCA)循環(huán)和氧化磷酸化在百歲老人中均升高(圖2c)。一致地，在分泌和需求成分中，我們發(fā)現(xiàn)百歲老人釋放更多的二氧化碳和更少的TCA中間代謝物(圖2e)。
鑒于長鏈脂肪酸氧化在碳分解代謝組學(xué)中的關(guān)鍵作用，我們探索了這一過程的上游和下游反應(yīng)，以確定觀察到的升高是僅限于長鏈脂肪酸氧化還是存在于其他碳分解代謝途徑中。令人驚訝的是，我們發(fā)現(xiàn)長鏈脂肪酸氧化的上游反應(yīng)，包括脂肪酸攝取、激活和轉(zhuǎn)運，在百歲老人中均呈升高趨勢(圖2f)。長鏈脂肪酸氧化的下游反應(yīng)、三羧酸循環(huán)(TCA循環(huán))通量的一半(8個反應(yīng)中的4個)和超過一半的氧化磷酸化復(fù)合物(5個反應(yīng)中的3個)在百歲老年中顯著增加(圖2f)。
圖2. 利用GPMM建立百歲老人(CENs)白細胞的全基因組代謝組學(xué)模型
有趣的是，差異豐度評分(DA)分析顯示71%(5/7)的類脂肪酸代謝物（FAL）家族在百歲老人中顯著下調(diào)，包括磷脂酸(PAs)、磷脂酰乙醇胺(PEs)、磷脂酰膽堿(PCs)和長鏈脂肪酸鞘磷脂(SM)(圖3c)。具體地說，在百歲老人中，PAs的100% (3/3)，PEs的100% (15/15)，PCs的81.2% (26/32)，SMs的100%(1/1)均顯著降低(圖3d)。除了FAL代謝物，游離長鏈脂肪酸(例如，反式疫苗酸和棕櫚酸)在百歲老人中也顯著減少(p = 0.002和3.9e- 4)(圖3e,f)。與F1SP相比，F(xiàn)1s的反式疫苗水平顯著降低(圖3e, p = 0.004)，棕櫚酸水平顯著降低(圖3f, p = 0.05)。這些結(jié)果表明，百歲老人的一些脂肪酸特征，如游離脂肪酸的減少，可能是遺傳的。有趣的是，在上調(diào)的代謝物中，最顯著的是膽汁酸，一組脂肪酸吸收代謝物(圖3c)。這些結(jié)果表明，在我們的百歲老人代謝組學(xué)數(shù)據(jù)中，血清脂肪酸濃度下降是最顯著的特征。這一觀察結(jié)果也解釋了我們之前的流行病學(xué)調(diào)查，該調(diào)查發(fā)現(xiàn)，與F1SPs相比，百歲老人的總膽固醇降低了。
圖3. CENs血清中的代謝特征
研究結(jié)論
來自血清代謝組學(xué)的證據(jù)支持這一觀察。鑒于脂肪酸氧化升高隨正常衰老而下降，并在許多與年齡相關(guān)的疾病中受損，研究表明，脂肪酸氧化水平的升高有可能成為人類健康衰老的一個新特征。
文/阿趣代謝組學(xué)
文章標(biāo)題：System-level metabolic modeling facilitates unveiling metabolic signature in exceptional longevity
發(fā)表期刊：Aging Cell
影響因子：9.304
合作客戶：中科院昆明動物研究所
百趣生物提供服務(wù)：非靶全代謝
研究背景
眾所周知，代謝控制在調(diào)節(jié)各種生物體的健康壽命和壽命方面起著至關(guān)重要的作用，但對百歲老人的系統(tǒng)代謝剖面，即人類健康老化和長壽的范式知之甚少。同時，如何很好地描述感興趣生物系統(tǒng)水平的代謝狀態(tài)仍然是系統(tǒng)代謝研究的一大挑戰(zhàn)。
為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，更好地理解健康衰老的代謝機制，我們開發(fā)了一種全基因組精確代謝建模(GPMM)方法，該方法能夠定量整合轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組和運動學(xué)組數(shù)據(jù)，在代謝網(wǎng)絡(luò)預(yù)測建模中�；鶞�(zhǔn)分析表明，GPMM成功地表征了NCI-60細胞株的特征代謝重編程;與現(xiàn)有方法相比，預(yù)測和實驗測量之間的R2為0.86，極大地改善了建模的性能。
利用這種方法，檢測了中國百歲人群的代謝網(wǎng)絡(luò)，并確定脂肪酸氧化升高(FAO)是這些長壽個體最顯著的代謝特征。
研究結(jié)果
1開發(fā)全基因組精確代謝組學(xué)建模方法
在本研究中，我們開發(fā)了一種全基因組精確代謝組學(xué)建模(GPMM)方法來解決“低精度”的挑戰(zhàn)。該方法定量地將知識庫中的酶動力學(xué)信息和轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)中的酶水平整合到代謝模型中。具體來說，我們首先策劃了通用的人類代謝組學(xué)模型，并利用文獻中的信息設(shè)定了血液中主要營養(yǎng)物質(zhì)攝取率的上限。隨后構(gòu)建了一個簡化的Recon 3D模型，以最大限度地增加有Kcats的反應(yīng)的數(shù)量，最小化沒有Kcats的反應(yīng)的數(shù)量。接下來，我們定量地整合了酶動力學(xué)參數(shù)和基因表達水平，以約束每個反應(yīng)的上下限。最后，通過通量變異分析(FVA)，去除零通量下的反應(yīng)，獲得單個模型，然后進行Markov Chain Monte Carlo（馬爾科夫鏈蒙特卡羅）(MCMC)采樣，識別代謝變化和關(guān)鍵調(diào)控因子。值得注意的是，GPMM實現(xiàn)了一些未包含在最先進的COBRA方法工具箱（COBRA toolbox v3.0）中的計算機分析，因此可以廣泛應(yīng)用于代謝組學(xué)工程和治療。此外，GPMM可用于精確醫(yī)學(xué)的個性化代謝組學(xué)建模。
2GPMM能夠穩(wěn)健、精確地捕獲實驗測得的通量
由于輸入的轉(zhuǎn)錄組可能會在實驗或繪圖過程中產(chǎn)生噪聲，我們分析了GPMM的穩(wěn)健性，以證明GPMM是否具有耐受基因表達噪聲的能力。我們首先通過在每個基因的原始表達數(shù)據(jù)(即真正的表達值)中添加隨機值(即人工噪聲)來構(gòu)建一個噪聲誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄組。具體來說，我們將1%、5%和10%的噪聲引入NCI- 60細胞系的基因表達數(shù)據(jù)中，構(gòu)建噪聲誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄組。然后，對真實和噪聲誘導(dǎo)的表達數(shù)據(jù)集進行代謝組學(xué)建模，并比較兩種數(shù)據(jù)集的通量結(jié)果。結(jié)果表明，無論在1%、5%或10%的噪聲下，每個細胞系的R-平方都大于0.98(圖1b)。我們對NCI- 60細胞株H460進行了100次5%基因表達噪聲的誘導(dǎo)，并利用GPMM進行了代謝組學(xué)建模。我們得到了真實樣本和噪聲誘導(dǎo)樣本之間的平均R2為0.984(圖1c)。癌細胞中一些重要的通量，如ATP的產(chǎn)生和乳酸的分泌，在這100個模擬中也是一致的(圖1d)。這些結(jié)果表明，GPMM算法是一種穩(wěn)健的方法。Warburg效應(yīng)是NCI- 60細胞中最重要的癌癥標(biāo)志之一。因此，我們將預(yù)測的乳酸分泌通量與實驗值進行了比較，發(fā)現(xiàn)GPMM很好地預(yù)測了NCI-60細胞的乳酸分泌（R2=0.86，p=2.2e-24）（圖1e）。
圖1. GPMM的基準(zhǔn)分析
3代謝組學(xué)模型顯示脂肪酸氧化升高是百歲老人最顯著的代謝特征
闡明百歲老人的代謝組學(xué)特征能更好地理解為什么這些人能夠推遲或避免許多嚴(yán)重的與年齡相關(guān)的疾病折磨,我們旨在研究百歲老人長壽的新陳代謝從海南省群體取樣。這個隊列包括76個百歲老人, 54個百歲老人的子女和41個百歲老人的子女配偶。接下來，我們應(yīng)用GPMM來研究這個隊列中長壽的代謝組學(xué)特征。我們總共建立了171個基于白細胞轉(zhuǎn)錄組信息的GPMM個體代謝模型。每個模型包含3977個反應(yīng)，可分為4個功能成分:營養(yǎng)攝取(22個反應(yīng))、代謝轉(zhuǎn)運(2478個反應(yīng))、酶催化反應(yīng)(1103個反應(yīng))和分泌與需求反應(yīng)(374個反應(yīng))(圖2a)。
通過比較百歲老人和年輕對照組(即F1SPs)的代謝特征差異，并調(diào)整年齡和性別的影響，我們獲得了343個上調(diào)和90個下調(diào)的通量。所有四種代謝過程中最顯著的特征一致表明，長鏈脂肪酸β -氧化(FAO)在百歲老人中升高。例如，在營養(yǎng)吸收成分中，長鏈脂肪酸(即十八烯酸和十八烯酸)和氧吸收在CENs中顯著升高(圖2b);在代謝物轉(zhuǎn)運成分中，長鏈脂肪酸氧化(即過氧化物酶體和線粒體)在亞細胞器中的轉(zhuǎn)運也在這些長壽個體中升高(圖2d)。同樣，酶催化組分顯示，細胞脂肪酸儲存(即三�；视秃铣�)、FAO、丙酮酸代謝、支氨基酸代謝、三羧酸(TCA)循環(huán)和氧化磷酸化在百歲老人中均升高(圖2c)。一致地，在分泌和需求成分中，我們發(fā)現(xiàn)百歲老人釋放更多的二氧化碳和更少的TCA中間代謝物(圖2e)。
鑒于長鏈脂肪酸氧化在碳分解代謝組學(xué)中的關(guān)鍵作用，我們探索了這一過程的上游和下游反應(yīng)，以確定觀察到的升高是僅限于長鏈脂肪酸氧化還是存在于其他碳分解代謝途徑中。令人驚訝的是，我們發(fā)現(xiàn)長鏈脂肪酸氧化的上游反應(yīng)，包括脂肪酸攝取、激活和轉(zhuǎn)運，在百歲老人中均呈升高趨勢(圖2f)。長鏈脂肪酸氧化的下游反應(yīng)、三羧酸循環(huán)(TCA循環(huán))通量的一半(8個反應(yīng)中的4個)和超過一半的氧化磷酸化復(fù)合物(5個反應(yīng)中的3個)在百歲老年中顯著增加(圖2f)。
圖2. 利用GPMM建立百歲老人(CENs)白細胞的全基因組代謝組學(xué)模型
4血清代謝組學(xué)支持代謝模型的觀察
由于系統(tǒng)級別較高的長鏈脂肪酸氧化會導(dǎo)致組織對脂肪酸的吸收和消耗更高，我們假設(shè)在百歲老人中血清長鏈脂肪酸濃度應(yīng)該降低。通過生成和分析同一長壽隊列的血清代謝組學(xué)數(shù)據(jù)，我們獲得了505個代謝物。在去除與衰老或性別效應(yīng)相關(guān)的代謝物后，我們在百歲老人中發(fā)現(xiàn)了83個下調(diào)和53個上調(diào)的代謝物(圖3a)。在下調(diào)的代謝物中，80.7%(67/83)是脂肪酸樣代謝物(FAL)(圖3b)。有趣的是，差異豐度評分(DA)分析顯示71%(5/7)的類脂肪酸代謝物（FAL）家族在百歲老人中顯著下調(diào)，包括磷脂酸(PAs)、磷脂酰乙醇胺(PEs)、磷脂酰膽堿(PCs)和長鏈脂肪酸鞘磷脂(SM)(圖3c)。具體地說，在百歲老人中，PAs的100% (3/3)，PEs的100% (15/15)，PCs的81.2% (26/32)，SMs的100%(1/1)均顯著降低(圖3d)。除了FAL代謝物，游離長鏈脂肪酸(例如，反式疫苗酸和棕櫚酸)在百歲老人中也顯著減少(p = 0.002和3.9e- 4)(圖3e,f)。與F1SP相比，F(xiàn)1s的反式疫苗水平顯著降低(圖3e, p = 0.004)，棕櫚酸水平顯著降低(圖3f, p = 0.05)。這些結(jié)果表明，百歲老人的一些脂肪酸特征，如游離脂肪酸的減少，可能是遺傳的。有趣的是，在上調(diào)的代謝物中，最顯著的是膽汁酸，一組脂肪酸吸收代謝物(圖3c)。這些結(jié)果表明，在我們的百歲老人代謝組學(xué)數(shù)據(jù)中，血清脂肪酸濃度下降是最顯著的特征。這一觀察結(jié)果也解釋了我們之前的流行病學(xué)調(diào)查，該調(diào)查發(fā)現(xiàn)，與F1SPs相比，百歲老人的總膽固醇降低了。
圖3. CENs血清中的代謝特征研究結(jié)論
來自血清代謝組學(xué)的證據(jù)支持這一觀察。鑒于脂肪酸氧化升高隨正常衰老而下降，并在許多與年齡相關(guān)的疾病中受損，研究表明，脂肪酸氧化水平的升高有可能成為人類健康衰老的一個新特征。
文/阿趣代謝組學(xué)
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