當(dāng)代謝組學(xué)技術(shù)遇到單細(xì)胞測序技術(shù)
代謝組的狀態(tài)是對遺傳因素、外部環(huán)境和治療干預(yù)等信息的綜合反映，因此是一個跟蹤和了解上述因素對表型影響的理想研究目標(biāo)。代謝組可做多種樣品類型、結(jié)果富含各種信息、可作為連接其他組學(xué)數(shù)據(jù)與表型之間的橋梁。
過去20年，組學(xué)研究飛速發(fā)展，處于中心法則末端的代謝組學(xué)雖然起步較晚但是發(fā)展很快。很多組學(xué)研究目前已進(jìn)入單細(xì)胞時代，由于細(xì)胞異質(zhì)性的存在，比起在組織水平上的研究，單細(xì)胞水平的變化研究能更好的探究細(xì)胞水平上的分子差異。單細(xì)胞基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組已有較成熟技術(shù)，目前代謝組學(xué)還相對停留在體液和組織水平，通過對體外培養(yǎng)的同一類細(xì)胞樣品進(jìn)行代謝組學(xué)檢測，與單細(xì)胞研究較為接近。盡管如此，代謝組學(xué)的結(jié)果通過與其他單細(xì)胞組學(xué)結(jié)果的聯(lián)合，仍然能為整個研究提供更深層次的相互印證解讀，從而更好地解決探索相關(guān)科學(xué)問題。
文獻(xiàn)案例一：代謝組學(xué)結(jié)合蛋白組學(xué)助力新冠診療
研究背景：該案例為迪安凱萊譜代謝組學(xué)實(shí)驗(yàn)室2020新冠病毒肺炎研究科研成果。項(xiàng)目由迪安凱萊譜代謝組學(xué)實(shí)驗(yàn)室和恩澤醫(yī)院、西湖大學(xué)三方共同合作實(shí)施，由騰訊基金會提供資金支持。大家可以閱讀微信騰訊新聞旗下的故事硬核工作室的報(bào)道：《分子戰(zhàn)爭：實(shí)驗(yàn)室里的新冠之戰(zhàn)》，詳細(xì)了解這篇Cell的產(chǎn)生過程。
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果：實(shí)驗(yàn)共有四組，健康組、非新冠病人組（發(fā)燒和肺部不適病人但核酸檢測為新冠陰性）、新冠輕癥組、新冠重癥組。通過比較非新冠病人組和新冠病人組的代謝組與蛋白組可以發(fā)現(xiàn)明顯由新冠引起的差別，且不是由其他疾病引起的雜音。
通過代謝組學(xué)與蛋白質(zhì)組學(xué)分別檢測到941個代謝物和894個蛋白。根據(jù)代謝物和蛋白質(zhì)聯(lián)合的marker建立了隨機(jī)森林預(yù)測模型，該模型旨在根據(jù)病人的血清代謝分子和蛋白差別預(yù)測可能發(fā)生為重癥的樣品。模型包括22個蛋白與7個代謝物共29個markers，用其做隨機(jī)森林預(yù)測，在三次針對不同病人樣品的預(yù)測中均取得了不錯的預(yù)測結(jié)果。
案例總結(jié)：本文通過代謝組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)聯(lián)合研究發(fā)現(xiàn)了新冠病人血清中三個主要的分子變化：1.巨噬細(xì)胞及脂質(zhì)代謝組的變化。2.補(bǔ)體系統(tǒng)的激活。3.血小板脫顆粒的異常。每一個方面都有蛋白和代謝變化的互相印證支持，從而大大提高了結(jié)果解釋的合理性。該研究發(fā)現(xiàn)的代謝組學(xué)方面的主要結(jié)果顯示脂類、氨基酸類、能量代謝和抗氧化應(yīng)激相關(guān)的代謝物水平均顯著下降，暗示病人在需要動員免疫系統(tǒng)抵抗病毒入侵的時候無法獲得足夠的資源。而這種多種類型代謝物全面下調(diào)的現(xiàn)象在非新冠病人中并沒有發(fā)生。新冠病人血清中的其他代謝變化還包括顯著升高的纖維蛋白原肽段和某些核苷酸等，值得進(jìn)一步的探究。
文獻(xiàn)案例二：代謝組學(xué)結(jié)合單細(xì)胞測序研究新冠病人免疫細(xì)胞的全面變化
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果：實(shí)驗(yàn)共有4組，包括258例健康個體組，264例新冠病人分為輕、中、重三組。對所有人血漿做了蛋白組和代謝組的分析。將代謝組學(xué)測得數(shù)據(jù)與臨床測得數(shù)據(jù)比較可以得到很好的相關(guān)性，證明該代謝組學(xué)平臺所得數(shù)據(jù)完全可以和實(shí)際臨床檢測的結(jié)果相互印證。
之后又做了外周血中免疫細(xì)胞的單細(xì)胞分析。根據(jù)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組的變化可將免疫細(xì)胞如CD8+?T?cells分為初生型、細(xì)胞毒性型（效應(yīng)型）、分化型、衰竭型等。正常組織中初生型多，效應(yīng)型少，隨著新冠病情增加，效應(yīng)型T增加。
案例總結(jié)：該案例除血漿中蛋白質(zhì)組與代謝組的工作外，引入了單細(xì)胞測序。新冠引發(fā)的變化很大程度上在免疫細(xì)胞層次，代謝組在免疫細(xì)胞層面研究較淺，該文章通過單細(xì)胞測序的方法補(bǔ)齊了這一塊。在組學(xué)水平，得到了與Shen, et al. Cell文章中相同的結(jié)論：很多代謝物被抑制，導(dǎo)至營養(yǎng)能量、抗氧化能力顯著下降，無法支持免疫水平調(diào)節(jié)需要的能量和合成的底物。該研究通過結(jié)合組學(xué)和單細(xì)胞水平上全景式的研究，得到了海量大數(shù)據(jù)為未來新冠研究提供了便利。
文獻(xiàn)案例三：代謝組學(xué)聯(lián)合單細(xì)胞測序?yàn)榕R床診療提供新思路
實(shí)驗(yàn)背景：強(qiáng)直性脊椎炎是一種自身免疫疾病。Th17免疫細(xì)胞會引起炎癥反應(yīng)，同時Th17免疫細(xì)胞會受到H3K27組蛋白的調(diào)控。H3K27組蛋白正常情況下處于去甲基化的狀態(tài)，支持Th17免疫細(xì)胞的炎癥反應(yīng)特性。去甲基化酶KDM6起著保證H3K27組蛋白不被甲基化的作用。該研究希望探究抑制KDM6后Th17免疫細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄和代謝是否會發(fā)生變化。該研究囊括了代謝組學(xué)、表觀遺傳學(xué)、單細(xì)胞測序、免疫學(xué)等多種研究方法。
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果：該案例中收集了6個病人的T Cell進(jìn)行培養(yǎng)。分別在12h、24h雙時間點(diǎn)觀測代謝物的變化情況。發(fā)現(xiàn)使用KDM6抑制劑后，Th17細(xì)胞的三羧酸循環(huán)被明顯抑制，線粒體功能受損，這可以從減少的α酮戊二酸和N-甲酰蛋氨酸上反映出來。
通過單細(xì)胞測序?qū)⒉∪宿D(zhuǎn)錄組分為9個cluster，發(fā)現(xiàn)抑制劑處理前后存在明顯差別。Th17細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄由支持引起炎癥反應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱诵菝郀顟B(tài)。
案例總結(jié)：Th17細(xì)胞的分化和成熟由糖酵解和TCA提供能量、三羧酸循環(huán)還提供各種合成需要的中間產(chǎn)物、磷酸戊糖途徑提供NADPH還原劑等。使用KDM6抑制劑后，組蛋白H3K27發(fā)生甲基化，組蛋白甲基化后失去對Th17細(xì)胞的分化生長的支持 （磷酸戊糖途徑降低，核苷酸減少，三羧酸循環(huán)弱化等），使得Th17細(xì)胞不能有效動員代謝物資源支持其炎癥反應(yīng)的功能。
目前雖然代謝組學(xué)尚無法做到單細(xì)胞水平，但已經(jīng)開始出現(xiàn)不少代謝組學(xué)結(jié)合單細(xì)胞測序的多手段聯(lián)合研究文章。
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產(chǎn)品技術(shù)
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綜述
