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  • 基于代謝組學技術的病毒傳染性疾病研究
  • 儀器信息網 2020/4/3 17:12:16 加載中...
導讀結合當前疫情,我們來關注下代謝組學技術在病毒感染及病毒宿主間的相互作用機制研究,下文將介紹一些基于代謝組學技術的病毒傳染性疾病的相關研究應用。
  • 儀器信息網訊 代謝組學是繼基因組學、轉錄組學及蛋白質組學之后發展起來的一門新興組學,是整合包括色譜聯用質譜和核磁共振等現代分析技術、生物化學以及生物信息學等學科的一門交叉學科技術,用于研究生命活動鏈條下游的代謝物內穩態情況。 

    代謝組學概念及常用技術

    代謝組學是系統地對代謝物及其水平變化進行快速識別分析,其中代謝物是基因表達的最終產物,且代謝物的水平是由代謝途徑中所有酶的活性及作用于這些酶的效應物所決定的,因此代謝組學所涉及的代謝物變化與機體的生理、病理、發育狀態直接相關。

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    代謝組學研究方法

    代謝組學主要的兩種分析技術,其一是核磁共振,另一種是質譜技術。與質譜技術相比,核磁共振確實具有一些明顯的特色,如分析樣品只需要簡單甚至無需前處理、成本低、快速、重復性好等,但在靈敏度和代謝物識別的覆蓋范圍上不如質譜,因此限制了其應用,目前研究使用最多的代謝組學技術依然是質譜技術。

    質譜分析技術為代謝物提供了高專一性的、與化學結構直接相關的分子質量或特征碎片離子等質譜信息,這些信息可通過與數據庫中的標準圖譜進行化學結構匹配來確定代謝物,或用于位置代謝物結構的推導。質譜技術與色譜分離技術的聯用可實現復雜樣品的代謝組學分析,從本質上提高了以質譜技術為基礎的代謝組學的研究能力和范圍。

    此外,代謝組學包括靶向代謝組學和非靶向代謝組學,前者是針對特定的代謝通路所涉及的代謝物進行定性和定量研究;相比較前者,后者采用高端分析技術進行代謝物全譜(理論上)輪廓差異分析、發現特異性代謝物并進行結構表征和代謝通路分析。在非靶向代謝組學研究中,由于代謝物的種類多、物化性質和濃度差異大,因此需要通過多種技術的整合,才能夠比較全面和準確地實現代謝調控所涉及的差異性代謝物識別和定量分析的全譜覆蓋。

    結合當前疫情,我們來關注下代謝組學技術在病毒感染及病毒宿主間的相互作用機制研究,下文將介紹一些基于代謝組學技術的病毒傳染性疾病的相關研究應用。

    基于代謝組學技術的病毒傳染性疾病研究中的應用案例

    案例1:中東綜合征(Middle East Respiratory Syndrome,MERS)研究中的多組學技術

    MERS是由冠狀病毒(MERS-CoV)感染引起的一種呼吸道傳染性疾病,主要表現為非典型肺炎和急性呼吸綜合征,重癥病例可發展為急性腎衰竭而導致死亡。

    2016年,Nakayasu等開發了MPLEx(metabolite, protein, and lipid extraction)樣本制備法,該方法簡單快速且適用于多組學的研究。基于該方法,研究者以侵染MERS-Cor的肺泡上皮細胞Calu-3為研究對象,通過蛋白組學、代謝組學和脂質組學研究,發現病毒感染過程中糖酵解/糖異生變化,以及脂肪酸、磷脂酰膽堿和神經酰胺等變化,為MERS-CorV感染人體機制的研究提供有力的數據支撐。

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     多組學代謝網路圖

    案例2: 埃博拉(Ebola hemorrhagic fever, EBHF)病毒研究中的多組學技術

     EBHF是由埃博拉病毒感染導致的急性出血性、動物源性傳染病,1976年在非洲的蘇丹和扎伊爾首次暴發,主要通過病人的血液、唾液、汗水和分泌物等途徑傳播。2017年,西北太平洋國家實驗室及東京大學等的研究人員對來自感染埃博拉病毒患者的單核細胞和血漿,基于轉錄組學、蛋白質組學、代謝組學及脂質組學平臺,發現血漿游離氨基酸、葡萄糖、果糖、二酰基甘油磷酸甘油、單酰基甘油磷酸絲氨酸、神經酰胺、可溶性VSIG4、骨髓細胞趨化因子受體等的變化,并由此推斷腸組織損傷、T細胞激活受損、炎癥、胰腺組織損傷和胰酶釋放等可能在EVD發病機制中的作用,研究結果有助于改善高危患者的預后。

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    總體流程圖

     案例3: 水痘-帶狀皰疹病毒(Varicella zoster virus, VZV)研究中的代謝組學技術

    水痘是由水痘-帶狀皰疹病毒(Varicella zoster virus, VZV)初次感染引起的急性傳染病,主要發生在嬰幼兒和學齡前兒童,相比兒童,成人發病癥狀更為嚴重。2018年,Kuhn M等基于靶向代謝組學研究平臺,對水痘不同亞型患者及對照樣本的腦脊液樣本進行研究,發現與VZV相關的4個代謝物,進一步的分析表明與VZV相關的代謝物增加可能與神經炎癥/免疫激活、神經信號和細胞壓力等相關。

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     差異代謝物結果展示

     案例4: 拉沙病毒研究中的代謝組學技術

    拉沙熱(Lassa fever, LASV)是一種急性、傳染性強烈的國際性傳染病,是由拉沙病毒引起,于1969年在尼日利亞東北地區的拉沙鎮發現。絕大多數的人類感染表現為輕癥或無癥狀,其他表現為嚴重多系統疾病;主要通過直接接觸拉沙熱患者的血液、尿、糞便或其它身體分泌物進行傳播,還可在人之間傳播。

    Gale TV等收集拉沙熱患者血清進行非靶向代謝組學研究,發現LASV感染對血液凝集、脂質、氨基酸和核苷酸代謝通路產生較大影響;同時,作者也發現PAF及其類似物等可能作為潛在的生物標志物。

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    拉沙熱潛在生物標志物

     案例5: SARS病毒研究中的多組學技術 

    SARS(重癥急性呼吸綜合征)為一種由SARS冠狀病毒(SARS-CoV)引起的急性呼吸道傳染病,WHO將其命名為重癥急性呼吸綜合征,2002年出現在中國廣東省。

    Wu Qi等收集感染SARS康復患者12年后的血清樣本與健康樣本進行常規代謝組學(GC-MS/LC-MS)和脂質組學分析,發現磷脂酰肌醇和溶血磷脂酰肌醇在康復患者體內升高,可能與使用高劑量的甲基強的松龍有關。

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     肌醇含量分布

     

    參考文獻

    Nakayasu ES, et al. MPLEx: a Robust and Universal Protocol for Single-Sample Integrative Proteomic, Metabolomic, and Lipidomic Analyses. mSystems. 2016 May 10;1(3).

    Eisfeld AJ, et al. Multi-platform 'Omics Analysis of Human Ebola Virus Disease Pathogenesis. Cell Host Microbe. 2017 Dec 13.

    Kuhn M, et al. Mass-spectrometric profiling of cerebrospinal fluid reveals metabolite biomarkers for CNS involvement in varicella zoster virus reactivation. J Neuroinflammation. 2018 Jan 17;15(1):20.

    Gale TV, et al. Metabolomics analyses identify platelet activating factors and heme breakdown products as Lassa fever biomarkers. PLoS Negl Trop Dis. 2017 Sep 18;11(9):e0005943.

    Wu Q, et al. Altered Lipid Metabolism in Recovered SARS Patients Twelve Years after Infection. Sci Rep. 2017 Aug 22;7(1):9110.   


     


  • 編輯:萬鑫
  • [來源:儀器信息網]
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