Circ Res | 蛋白组揭示外周动脉疾病引发肌肉组织的代谢重编程

以下文章来源于精准医学与蛋白组学 ，作者景杰生物

外周动脉疾病（Peripheral Artery Disease, PAD）是指由于动脉粥样硬化斑块影响四肢（常见于下肢）的血供和氧气输送，从而引起肌肉损伤和难以行走等症状。目前PAD几乎没有有效的治疗方法，部分原因是其引起功能障碍相关的机制仍不清楚。组学研究可以在分子水平上为健康和疾病的过程提供一个全局的视角，其中蛋白组学及转录组学的联合已经有很多重磅的机制研究成果发表，推动了精准医疗的发展。

2023年5月8日，美国国立衰老研究所（NIA）科学主任Luigi Ferrucci教授团队联合西北大学范伯格医学院Mary M. McDermott教授团队在国际知名期刊Circulation Research发表了题为“Transcriptomic and Proteomic of Gastrocnemius Muscle in Peripheral Artery Disease”的研究论文。研究人员对31名PAD患者和29名无PAD对照组的腓肠肌样本进行了转录和蛋白质组学分析，揭示了外周动脉疾病肌肉中缺氧补偿机制的激活，包括糖酵解限速酶活性下降和调节蛋白质翻译的综合应激反应增强。这些机制可以作为PAD治疗的潜在靶标，为临床治疗指导提供了丰富的数据。

为了更好地理解PAD中肌肉损伤的机制，研究人员对31名PAD患者（平均年龄69.9岁）和29名年龄和性别匹配的非PAD对照者（平均年龄70.0岁，无糖尿病或者肢体缺血症状）的腓肠肌样本进行了深入的转录组学和蛋白质组学分析。研究人员分别就转录本和蛋白进行差异表达分析和功能富集分析，并结合转录组学和蛋白质组学数据对线粒体呼吸链复合物蛋白进行共调控网络分析。他们发现mRNA的丰度与其编码的蛋白含量之间缺乏显著的相关性，提示表观调控和蛋白质翻译后修饰调控的重要性。

图1 研究方案和分析流程

蛋白质组学共鉴定到6324个蛋白。相比于非PAD组，在PAD组中显著下调的蛋白有94个，显著上调的蛋白有173个（P<0.05）。在PAD中，线粒体相关蛋白包括三羧酸循环的酶、电子传递链相关蛋白和线粒体复合物I和IV等表达上调，提示氧化磷酸化活性增加。此外，在外周动脉疾病患者的肌肉中炎症反应活性增强而糖酵解活性显著下调。这些结果提示外周动脉疾病中显著发生了代谢重编程。

图2 蛋白质组学分析结果

随后研究人员对96个线粒体电子传递链蛋白进行共调控网络分析。非PAD人群中的呼吸蛋白网络更为紧密，而PAD呼吸蛋白之间的关联较弱。这表明在外周动脉疾病患者中，呼吸蛋白的整体比例和调控网络被破坏，引起糖酵解过程的活性下降，并影响线粒体蛋白翻译速率。然而，转录组的共调控网络分析在两个组别中呈现紧密程度类似的网络，差异不明显，提示蛋白质组学相比转录组学在研究功能及寻找靶标上的显著优势。

图3 线粒体蛋白的共调控网络分析

研究人员发现PAD中糖酵解限速酶活性存在不同程度上的下降。值得一提的是，糖酵解在整体代谢网络中处于核心位置，通过代谢中间物与氨基酸代谢和脂肪酸代谢相联系。在有氧条件下，丙酮酸会进入线粒体进行三羧酸循环（又名TCA循环），并通过线粒体的电子传递链产生大量能量。而在无氧或氧气供应不足的条件下，丙酮酸则会倾向于以糖酵解途径转化为乳酸以供能。TCA循环产生的多种酰化辅酶A可以成为蛋白质翻译后修饰的底物，如丙二酰辅酶A、琥珀酰辅酶A和戊二酰辅酶A等，而糖酵解产生的乳酸也会介导乳酸化修饰的发生。因此PAD患者中缺氧引起的代谢重编程，非常有可能导致蛋白质翻译后修饰的整体改变。

图4 PAD患者肌肉中糖酵解限速酶活性下降

综上，研究人员通过蛋白组学和转录组学，发现在PAD中缺氧诱导肌肉细胞整体的刺激应答活动增强，包括炎症活性、未折叠的蛋白质响应和RNA加工剪切等通路活性上调。线粒体电子传递链相关蛋白的共调节网络分析揭示PAD中糖酵解过程相关限速酶活性的下降，说明在外周动脉疾病中存在显著的代谢重编程过程。这些数据强调了动脉相关疾病的代谢特征，也为PAD的干预及靶向治疗提供了更有价值的线索。

此外，本研究通过蛋白质组学揭示外周动脉疾病中肌肉组织的代谢重编程现象，尤其是糖酵解过程限速酶活性发生不同程度的改变，这也很有可能导致代谢产物乳酸含量的变化。那么在外周动脉疾病中，乳酸含量的变化，是否也会介导相关蛋白的乳酸化来调控疾病的发生发展机制呢？这也是值得探究的方向。从乳酸化修饰的角度，深入挖掘PAD的发生发展机制，将从更多的维度为PAD的临床治疗提供帮助。

转自：“中北科研”微信公众号

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