转录组学-代谢组学-脂质组学：多组学研究描绘肥厚型心肌病的病理
前言
2021年11月，美国斯坦福大学Daniel Bernstein教授课题组在Circulation期刊发表的题为 “Altered Cardiac Energetics and Mitochondrial Dysfunction in Hypertrophic Cardiomyopathy”的研究成果，通过多组学研究（代谢组学、脂质组学、转录组学）方法，发现了肥厚型心肌病的代谢信号紊乱和线粒体功能障碍特征，探究了肥厚型心肌病的发病机理，描绘了肥厚型心肌病的病理图谱。为确定肥厚型心肌病的病理机制及新药物靶点提供了理论依据。
中文标题：肥厚型心肌病的心脏能量改变和线粒体功能障碍研究
研究对象：人心肌组织
发表期刊：Circulation
影响因子：29.690
发表时间：2021年11月
合作单位：美国斯坦福大学
运用生物技术：代谢组学、脂质组学、转录组学
背景介绍
肥厚型心肌病(HCM)是一种复杂的疾病，部分原因是基因变异导致对肌节蛋白生物力学产生了影响。细胞水平研究，肥厚型心肌病突变的增强导致对能量的需求更高。尽管在阐明肌节结构-功能关系方面取得了重大进展，但关于改变的心脏能量与HCM表型之间的联系机制，仍有待了解。
本篇研究检验了一种常见病理生理通路的假设—HCM心脏能量学的变化。
研究思路
研究方法
1. 实验分组
（1）捐献组：13人（心肌组织取自心脏移植供体无心脏病史）；
（2）二尖瓣狭窄组：2人（原发性二尖瓣狭窄）；
（3）疾病组：27人（左室间隔肌切除术HCM患者）；
2.统计分析
（1）数据显示为平均值±SD或SE。S-t检验和Wilcoxon Mann–Whitney U检验P<0.05是显著的。
（2）组学数据分析：Mann-Whitney U检验、Benjamini–Hochberg（BH法）、双侧Welch t检验、Wald检验。皮尔逊相关系数使用pandas 和SciPy进行线性回归分析。
3.技术路线
3.1.组织学分析：心肌细胞肥大、坏死间质胶原 、组织纤维化程度、纤维化基因
3.2组学分析方法：代谢组学、脂质组学、转录组学
3.3代谢和脂质分析方法：非靶向和靶向质谱法
3.4基因表达：RNA测序
3.5其它方法：磁共振成像技术、电子断层扫描、Western-blot、透射电子显微镜分析
研究结果
多组学揭示能量受损
HCM代谢降解分子途径水平分析用于确定失调的途径。途径富集揭示了所有代谢途径的显著改变，表明能量代谢的存在（图1C）。代谢网络图上绘制了主要代谢变化（图1D），显示了关键代谢酶及其相关代谢物或脂质转录的一致性变化。脂质组学和代谢组学研究，观察到显著增加的游离脂肪酸浓度（图1D和图2）。HCM心肌显示心肌收缩率降低，其中长链酰基肌醇（>C14）受影响最大（图1D和图2C）。线粒体膜运输酰基肌醇有关基因的运输因素减少（图1D和图2B）。除了脂质的变化外，HCM中的碳水化合物代谢也显著降低（图1D和图2 ）。TCA循环中间产物及其相关基因均降低（图1D、图2B、和图2F）。
图1 | HCM研究设计和分子图谱
图２| HCM代谢失调
HCM与线粒体超微结构和功能受损有关
纤维间线粒体的一个子集因无序而肿胀降低嵴密度（图3A）。量化嵴密度的变化证实了嵴严重受损的线粒体百分比（图3B-3D）。高分辨率的图像同一样本中单个线粒体之间嵴密度的差异（图3E）与异质线粒体损伤一致。形态学变化与关键基因下调相关线粒体膜组织，呼吸链复杂的组装和嵴形成有关（图3F）。
通过Oroboros血氧仪测量的复合物V氧化磷酸化能力降低（图4A和图4B）与发现的ATP和ADP含量降低的结果一致。复合物II和V的活性以及几种线粒体复合物成分的转录水平也显著降低（图4C）。此外，解偶联蛋白2显著上调（图4D），磷酸化AMPK显著增加（图4E-4G）。这些数据表明，代谢需求和活化增加AMPK在HCM心脏中表达的降低，能量供应减少归因于线粒体功能障碍。
图3| HCM中的线粒体损伤
图４| HCM线粒体呼吸功能和能力
线粒体损伤与活性氧增加有关
研究HCM线粒体结构损伤的机制，活性氧对线粒体脂质的影响膜和线粒体DNA。4-羟基壬烯醛的修饰蛋白显著升高（图5A）。通过非目标液相色谱-质谱脂质组学测量LO3在内的各种心磷脂种类的减少。
L2O2、L2O及L4的下降（图5B）。HCM中线粒体与基因组DNA的比率降低（图5C），同时与线粒体DNA完整性和线粒体转录和翻译相关的基因表达降低（图5C）。代谢组学数据显示，主要的抗氧化剂谷胱甘肽（图5D和5E），包括SOD在内的其他关键抗氧化剂水平均为阳性减少。谷胱甘肽过氧化物酶可显著减少过氧化氢和脂质过氧化物（图5F）。结果表明，氧化应激增加可归因于活性氧升高。
图5| HCM氧化损伤增加
图6| HCM线粒体改变
相关讨论
肥厚型心肌病(HCM)的全面性研究很少。本篇文章是采用多组学分析，揭示了分子机制在的HCM病理生理学的特征。这些与线粒体呼吸减少和受损线粒体的积累有关，是由于氧化应激的增加、抗氧化防御能力的降低以及未能上调的线粒体吞噬清除。
HCM组织表现为大量积累游离脂肪酸，相关研究尚不清楚游离脂肪酸水平增加。研究也发现调节脂肪代谢不同阶段的主要酶的表达减少了酸性β-氧化，线粒体脂肪酸氧化的主要调节因子没有上调。此外，HCM心脏积累了有毒的脂质中间产物。
HCM氧化时限制脂肪酸的代谢，葡萄糖水平降低和糖酵解代谢产物及回补底物TCA循环提供了能量，限制了能源供应。心肌能量再生能力有限，能量受损代谢可能是HCM功能恶化的一个重要机制，也是治疗HCM的一个潜在靶点治疗干预。
能源需求增加HCM心脏促进活性氧的产生，HCM心肌表现出几种心磷脂种类减少。线粒体亚群线粒体受损和嵴密度降低。HCM中线粒体结构的改变与线粒体氧化损伤减少有关，磷酸化能力和呼吸功能降低复杂的活动，确认线粒体功能损害。表明HCM心肌线粒体亚群仍可能存在呼吸功能正常，但不能满足高收缩HCM心脏的高能量需求。
激活有丝分裂吞噬途径以消除呼吸能力降低的异常线粒体，有助于防止活性氧的细胞毒性影响，维持细胞内稳态，改善线粒体功能作用。线粒体质量控制受损可能最终导致HCM中受损线粒体的积累而至线粒体损伤。
研究讨论
本研究采用了多组学分析HCM中病理生理机制的心肌代谢和能量学整体变化。代谢组学、脂质组学与基因转录的改变、调节这些途径的关键酶会增强。伴随着代谢紊乱，作者发现氧化损伤加剧，导致线粒体结构和功能显著缺陷，线粒体质量控制上调失败，增加了对能量的需求。通过早期出现的变化程度，建议改善代谢功能和线粒体功能，可能是减缓HCM的有效办法。
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本篇文章对肥厚型心肌病(HCM)的病理机制进行了深入研究。通过采用多组学方法分析病理心肌的基因、代谢等途径，研究心肌、线粒体功能对HCM的影响。同时，也为肥厚型心肌病的治疗提供了新靶点。
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2. Semsarian C, Ingles J, Maron MS, Maron BJ. New perspectives on the prevalence of hypetro-
phic cardiomyopathy. J Am Coll Cardiol. 2015;65:1249–1254. doi: 10.1016/j.jacc.2015.01.019
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文末看点｜lumingbio
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