Raoxu Wang, et al. Integration of lipidomics and metabolomics for in-depth understanding of cellular mechanism and disease progression.. Journal of Genetics and Genomics 2020
基于质谱（MS）的组学技术现在广泛用于分析多个基质中的小分子，从而提供细胞代谢表型的综合描述。细胞、组织和生物体的代谢组由多种分子组成，包括脂类、氨基酸、糖、有机酸等。代谢组学主要集中在亲水类，而脂质组学由于生物体脂质的复杂性而成为一个独立的组学。脂质和小代谢物在疾病发病机制中的潜在作用已在人类各种疾病中得到广泛研究，但在系统层面上的认知还很缺乏，这可能与目前的分析技术在代谢物覆盖率和定量准确性方面的不足有关。在科学家们不断努力开发高覆盖率的组学方法的同时，代谢组学和脂质组学的结合正在成为一种新兴的机制研究方法。代谢组学和脂质组学的结合提供了一个完整的代谢图谱，能够进行全面的网络分析，以确定疾病病理中的关键代谢驱动因素，从而促进对疾病进展中脂质和其他代谢产物之间联系的研究。在这篇综述中，我们总结了基于组学的关于脂质和代谢物在某些威胁公共健康的主要疾病发病机制中的作用的发现。我们还讨论了结合脂质组学和代谢组学对深入了解疾病发病的分子机制的优势。
代谢组学是组学科学的一个相对年轻的分支，在提供最接近细胞内已发生事件的描述方面具有巨大潜力。解释代谢组学数据的一个主要挑战是，所分析的分子可能代表代谢反应和细胞过程的不同阶段的产物，这些产物可能在不同的生物体中甚至同一生物体的不同细胞中具有不同的功能。由于代谢物在结构多样性和广泛的物理性质（如极性、稳定性、溶解性等）方面具有化学异质性，代谢组学相对于其他组学在分析方面提出了额外的挑战。为了在单一分析方法中实现更高的代谢物覆盖率，技术开发仍在进行中。脂质组学是一门连接脂质生物学、技术和医学的新兴学科，致力于构建细胞/组织脂质组的全方位图谱。由于脂质的结构和功能多样性，加上其较高的内源性丰度，原本归入更广泛的代谢组学范围内的脂质组学已成为一个独立的领域（图1）。根据LIPIDMAPS分类，脂质进一步分为八大类，包括脂肪酰、甘油脂、甘油磷脂、甾醇脂、丙烯醇脂、鞘脂、糖脂和聚酮。其中，前6种是哺乳动物的主要脂质。脂质组学的综合分析方法有多种，包括鸟枪法和基于色谱-质谱联用（MS）的脂质组学。本质上，代谢组学主要关注极性代谢物（水溶性），例如糖、氨基酸、有机酸和核苷酸。脂质组学致力于全面鉴定和量化各种脂质分子种类。由于其疏水性，脂质需要与小分子代谢物分开处理和分析（即需要不同的溶剂系统）。目前已有超过40000种脂质被记录在案，在代谢组学的覆盖范围上只有很少的重叠。重叠通常存在于亲水性更强的脂质中，如溶血磷脂、酰基肉碱和游离脂肪酸。然而值得注意的是，传统代谢组学中对这些重叠脂质的提取和分析通常是有限的，并不如脂质组学中那样有效。
图1. 代谢组学和脂质组学是根据目标分析物划分的两个不同的组学领域。图中显示了人体血浆中代谢物的相对分布。
质谱（MS）分析是代谢组学和脂质组学分析中应用最广泛的技术，部分原因是其灵敏度优于核磁共振（NMR）。如图2所示，除提取策略外，脂质组学的工作流程与代谢组学大体相似。使用含有甲醇、乙腈和/或水的溶剂混合物即可实现满意的小分子代谢物的提取，但脂类的提取相当复杂，需要不同的有机溶剂系统来针对不同的脂类。在大多数情况下，脂质组或代谢组提取物可直接用于液相色谱-质谱（LC-MS）分析，而微量化合物或处理复杂化学基质时可能需要衍生化、固相萃取和富集。通常，脂质组学或代谢组学分析可大致分为非靶向方法和靶向两种，这两种方法在数据采集方法和后续数据处理方面有所不同，每种方法各有优缺点。数据依赖采集（DDA）/信息依赖采集（IDA）和数据独立采集（DIA）是提供快速、全面定性和定量数据的新兴技术（图2）。根据样品性质以及感兴趣的代谢物，可以应用各种电离技术模式。使用不同策略获取的大量数据将通过指定的数据处理软件进行处理，以将分析数据转换为具有生物学意义的代谢图（图2）。最后，将进行统计和生物信息学分析，以获得变化的代谢物和途径，以及有助于我们理解数据和基础生物学的可视化。脂质组学和代谢组学方法的技术细节在其他领域已被广泛综述。脂质组和代谢组的定量分析将为生物过程和功能提供机制上的线索，从而提高我们对疾病发展和进展的认识。特别是，考虑到脂质和非脂质(即氨基酸和碳水化合物)代谢在调控整体细胞能量稳态方面的高度相关性，代谢组学和脂质组学的结合是理解复杂代谢疾病发病机制的关键。
图2. 代谢组学和脂质组学的典型工作流程。使用相应的溶剂系统从源物质（即组织、细胞和液体）中提取脂质和代谢物。在对粗提物进行适当的样品处理后，采用直接进样（鸟枪）质谱法或质谱-色谱联用法分析代谢物。脂质组学/代谢组学分析可使用非靶向或靶向方法进行。使用生物信息学和计算工具进行数据挖掘有助于识别在实验或疾病条件下发生改变的受干扰的细胞过程和分子途径。
脂质组学已广泛用于研究各种生物模型和人类疾病中的脂质代谢，其他地方对此进行了综述，因此本节将不再重点讨论。相反，本文将讨论个别脂分子或脂类在特定疾病(包括代谢综合征、痴呆、心血管疾病和各种形式的癌症)中的功能，以阐明脂质组学促进准确定量和精确鉴定脂质的重要性。
2.1脂肪酰
脂肪酸是各种生物活性脂质分子和膜脂的能量来源和前体。高水平的血浆游离脂肪酸（FFA）可能是白色脂肪细胞膨胀、能量消耗效率低下和/或β-氧化紊乱的迹象。在肿瘤学方面，三酰甘油酯（TAG）水解释放的FFA被转移性卵巢癌细胞吸收并用作能量来源。
作为各种生物活性脂质的前体，不同种类的FFA参与了多疾病的发生和发展。例如，游离花生四烯酸被证明在MYC活性高的肺肿瘤中增加。MYC过表达通过脂氧合酶（LOX）和环氧合酶（COX）途径提高花生四烯酸衍生的类花生四烯酸的水平。抑制COX/5-LOX途径可减少细胞增殖，从而减轻肿瘤负担，突出了花生四烯酸及其衍生的类花生酸在癌细胞增殖中的作用。棕榈酸已被证明能触发内质网（ER）应激，促进肾近端小管细胞系中的凋亡和坏死细胞死亡。多不饱和脂肪酸(PUFAs)从膜磷脂中裂解释放出PUFAs，导致类花生酸生物合成显著上调，从而缩短秀丽隐杆线虫幼虫的寿命。
脂肪酰基组成的变化会严重改变膜的流动性、厚度、堆积以及膜蛋白的动力学和功能。例如，增加饱和磷脂水平会导致癌细胞信号转导改变，从而保护癌细胞免受氧化损伤并抑制其对化疗药物的吸收。从阿尔茨海默病（AD）患者的大脑中分离出的脂筏显示出n-3多不饱和脂肪酸（特别是二十二碳六烯酸、DHA）、单烯类（主要是油酸）水平降低，过氧化物指数降低。此外，AD额叶皮质和内嗅皮质中不同的脂肪酰基组成被证明能产生更高的膜序度和粘度，这一点通过其对人工探针的更大抗性得到证实。这些膜脂肪酰基改变与阿尔茨海默病发病机制的生物学相关性通过观察进一步得到了加强，即β-分泌酶特异性地积累在阿尔茨海默病受试者的这些改变的膜微结构域中，即使在疾病的轻度阶段，因此在膜微结构域中的脂肪酰基组成变化和淀粉样前体蛋白(APP)的淀粉样变过程之间提供了直接联系。同样，在恒河猴神经膜的正常衰老过程中，观察到含有DHA的磷脂减少，伴随着超长链鞘磷脂（VLCSM）的增加，表明随着正常衰老过程，这些膜可能引起富含DHA的微结构域与筏（SM/胆固醇）微结构域的时间依赖性交换。这些发现进一步强调了脂质组学在研究膜脂肪酰基成分对神经退行性疾病细胞过程和信号转导的影响方面的应用。
2.2甘油磷脂
甘油磷脂是参与细胞信号转导的细胞膜的主要成分。根据其极性头部基团的性质，磷脂家族进一步分为磷脂酰胆碱（PC）、磷脂酰乙醇胺（PE）、磷脂酰丝氨酸（PS）、磷脂酰肌醇（PI）、磷脂酸（PA）、心磷脂（CL）等（图3）。
图3. 磷脂生物合成和主要磷脂类及其相关疾病的概述
PC和PE是哺乳动物细胞中最丰富的磷脂类，在许多疾病的进展过程中表现出明显的变化。在许多癌症中观察到PC水平升高，这可能表明内源性PC水平与癌细胞增殖率升高呈正相关。脂质组学分析表明，20:4-PC在细胞周期中波动，并通过干扰蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶Akt膜结合而减缓细胞周期进程，从而有助于癌症中细胞周期的调节。与PC相似，PE在肿瘤中也表现出一致的升高。在肺癌中磷脂酰乙醇胺结合蛋白4（PEBP4）过表达可调节肿瘤的发生、侵袭和转移潜能。据认为，PEs的增加可能在一定程度上作为PEBP的激动剂来介导信号转导。此外，对肌浆网（SR）的脂质组学分析表明，PC与PE的比例失调与肌浆网钙ATP酶（SERCA）活性降低相关，导致钙稳态异常，加重心力衰竭。这些发现强调了磷脂诱导的细胞信号改变在癌症发展和进展中的相关性。
PIs及其磷酸化形式的磷酸酰肌醇多聚磷酸盐（PIPs）在细胞信号转导和膜转运中起重要作用。当受到刺激时，由PI 3-激酶产生的PI(3，4，5)P3随后将Akt和PtdIns依赖性激酶(PDKs)的pleckstrin同源结构域募集并共定位到质膜上。细胞膜共定位通过PDK促进Akt磷酸化，从而开启Akt介导的细胞生长和存活途径。切除PTEN可从PI(3，4，5)P3切割磷酸基团，通过调节Akt依赖性途径促进肿瘤发展。PI及其磷酸化代谢产物，即PI(4，5)P2和PI(3，4，5)P3，分别参与了细胞顶端和基底外侧膜极性的划分。在亨廷顿氏病(HD)中，PI稳态的紊乱可能是突变亨廷顿蛋白与膜磷脂相互作用的结果，这种相互作用进而改变了室管膜细胞的正常形态，特别是在睫状体形成和功能方面。脂质组学分析表明，PI(16:0-18:1)是提示乳腺肿瘤恶性程度的潜在生物标志物。CL几乎全部分布在线粒体膜中，参与膜完整性和线粒体功能的维持。Barth综合征患者的CL重塑有一个主要缺陷。氯的加速降解和亚油酸在氯中的掺入减少导致细胞功能异常。
在另一项研究中，脂质组学分析证明了脑瘤线粒体中CL分子种类的异常分布和CL水平的降低，导致不可逆的呼吸损伤，这可能阻碍葡萄糖替代能源的使用。之前的工作也揭示了CL谱的剧烈变化与AD早期突触线粒体功能障碍有关。上述研究表明，单个脂质在其生物功能上具有特异性(即，具有精确的头部基团和脂肪酰基)。因此，提供单个脂质结构细节的脂质组学定量对于揭示疾病发病机制中涉及的精确脂质靶点至关重要。
缩醛磷脂是甘油磷脂的一个亚类，在甘油主链的sn-1位含有乙烯基醚脂肪醇取代基。由于烯醇醚的氧化不会产生促进多不饱和脂肪酸氧化的活性物质，缩醛磷脂(pPE)被认为是细胞膜中有效的抗氧化剂。阿尔茨海默病中pPE的缺乏支持氧化应激假说，即氧化应激可能是阿尔茨海默病诱导和进展的关键风险因素。由于pPE和缩醛磷脂PC (pPC)是在过氧化物酶体中合成的，因此AD中pPE和pPC含量的降低可能与过氧化物酶体功能障碍有关。
2.3鞘脂
『未完待续』
译者：黄颖
编辑：黄琰
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