代謝物在2型糖尿?。?/span>T2D)及其心血管并發(fā)癥的生物過(guò)程中起關(guān)鍵作用。然而,它們對(duì)這些疾病的貢獻(xiàn)尚未得到全面評(píng)估,尤其是在東亞血統(tǒng)中。本研究使用高覆蓋度的廣泛靶向和非靶向代謝技術(shù)分析了總共1912種代謝物,采用多變量logistic回歸模型和正交偏最小二乘判別分析鑒定T2D相關(guān)代謝物。在浙江代謝綜合征隊(duì)列(ZMSC)中進(jìn)行了全代謝組全基因組關(guān)聯(lián)研究(GWAS),然后進(jìn)行了雙樣本孟德?tīng)栯S機(jī)化(MR)分析,以探索潛在的因果代謝物-T2D關(guān)聯(lián)。為增強(qiáng)跨血統(tǒng)的泛化性,在歐洲血統(tǒng)中進(jìn)行了MR分析,以探討血清代謝物對(duì)T2D及其心血管并發(fā)癥的潛在因果影響。還整合多組學(xué)證據(jù)以探索潛在的分子機(jī)制。結(jié)果確定了6種與中國(guó)T2D相關(guān)的代謝物,并得到了代謝組分析和遺傳知情因果推斷的支持。其中包括兩個(gè)潛在的保護(hù)因素(PC[O-16:0/0:0]及其衍生物LPC[O-16:0])和四個(gè)潛在危險(xiǎn)因素([R]-2-羥基丁酸、2-甲基乳酸、依普利酮和蘿芙素)??缱嫦却x組范圍分析進(jìn)一步揭示了四種共享的潛在致病代謝物,突出了肌酸對(duì)T2D的潛在保護(hù)作用。通過(guò)多組學(xué)整合揭示了由CPS1附近的遺傳變異(編碼尿素循環(huán)相關(guān)線粒體酶)初始化的潛在調(diào)節(jié)途徑,該變異影響血清肌酸水平并調(diào)節(jié)T2D。MR分析進(jìn)一步表明,9種尿素循環(huán)相關(guān)代謝物顯著影響T2D的心血管并發(fā)癥。本研究為T2D的代謝基礎(chǔ)及其心血管并發(fā)癥提供了新的見(jiàn)解,強(qiáng)調(diào)了尿素循環(huán)相關(guān)代謝物在疾病風(fēng)險(xiǎn)和進(jìn)展中的作用。這些發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了對(duì)T2D病因中循環(huán)代謝物的理解,為未來(lái)的研究提供了潛在的生物標(biāo)志物和治療靶點(diǎn)。
該研究于2025年4月發(fā)表在《Cardiovascular Diabetology》,IF:10.6。
技術(shù)路線
主要研究結(jié)果
1.浙江代謝綜合征隊(duì)列(ZMSC)代謝組測(cè)定
在ZMSC中,通過(guò)基于UPLC-MS的代謝組學(xué)分析方法共鑒定了1912種血清代謝物(表S1)。廣泛靶向分析和非靶向代謝組分別鑒定和量化了1601種(83.73%)和311種(16.27%)代謝物。這些代謝物涵蓋23個(gè)主要類別,其中氨基酸及其衍生物(27.67%)含量最高。
表S1:本研究中使用的代謝物數(shù)據(jù)集概述
2. ZMSC中代謝物與T2D的關(guān)聯(lián)
多項(xiàng)式logistic回歸確定了225種與T2D顯著相關(guān)的代謝物,在調(diào)整了包括年齡、性別、BMI、高血壓狀況、吸煙和飲酒量在內(nèi)的潛在混雜因素后(圖1A)。在這些顯著的代謝物中,80種代謝物是潛在的保護(hù)因素,而145種代謝物是潛在的危險(xiǎn)因素。按性別進(jìn)行的亞組分析顯示,369名男性參與者中有22種差異代謝物,811名女性參與者中有168種差異代謝物。此外,為提高T2D的確定可靠性,納入來(lái)自醫(yī)療保險(xiǎn)系統(tǒng)的藥品購(gòu)買記錄,根據(jù)2015年至少兩次購(gòu)買T2D藥物或FG≥7.0 mmol/L定義為T2D,進(jìn)行敏感性分析?;卺t(yī)保險(xiǎn)購(gòu)藥記錄(171例糖尿病患者、127例糖尿病前期患者和885例正常血糖)的敏感性分析確定了基礎(chǔ)分析中94.44% T2D相關(guān)代謝物,表明分析可靠性。根據(jù)OPLS-DA評(píng)分圖(圖1B),基于PSM的T2D病例和對(duì)照可以成功區(qū)分。通過(guò)十倍交叉驗(yàn)證計(jì)算,R2為0.89,Q2為0.67,表明模型的穩(wěn)健性。此外,OPLS-DA模型識(shí)別了428種VIP評(píng)分>1的代謝物(圖1A)。
圖1: ZMSC中的代謝組學(xué)數(shù)據(jù)分析。
3.代謝途徑分析
進(jìn)行功能富集分析和通路分析,以確定可能與T2D相關(guān)的潛在代謝途徑。只有符合多變量邏輯斯諦回歸中FDR校正P<0.05的統(tǒng)計(jì)顯著性閾值且VIP評(píng)分>1的代謝物才被納入通路分析(164種代謝物)。發(fā)現(xiàn)T2D相關(guān)代謝物在涉及“瓦博格效應(yīng)”、“氨基酸糖代謝”、“天冬氨酸代謝”和“脂肪酸生物合成”的途徑中顯著富集,P值分別為0.0152、0.0299、0.0363和0.0363(圖1B)。
4. 遺傳信息推斷支持東亞代謝物-T2D關(guān)聯(lián)
GWAS用于識(shí)別代謝相關(guān)遺傳變異為IVs。曼哈頓圖顯示GWAS結(jié)果聚集了所有1912種代謝物。代謝物的遺傳膨脹因子范圍為0.946至1.004,表明幾乎沒(méi)有種群分層的證據(jù)。為提供遺傳調(diào)節(jié)的證據(jù),進(jìn)行了代謝組范圍的雙樣本磁共振分析,以評(píng)估血清代謝物和T2D之間的潛在因果關(guān)系?;?/span>ZMSC隊(duì)列的GWAS匯總統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和DIAGRAM聯(lián)盟(EAS)的公開數(shù)據(jù),代謝組范圍的磁共振分析確定了89種與T2D顯著相關(guān)的代謝物(PIVW<0.05和PMR-RAPS<0.05)。89種遺傳預(yù)測(cè)的血清代謝物對(duì)T2D風(fēng)險(xiǎn)的磁共振估計(jì)產(chǎn)生影響。
為估計(jì)潛在的反向因果關(guān)系,對(duì)代謝物與T2D關(guān)聯(lián)進(jìn)行了反向MR分析。結(jié)果顯示,75種代謝物可能受到T2D的影響,89種代謝物與T2D關(guān)聯(lián)中只有3種受到干擾。這些發(fā)現(xiàn)表明反向因果關(guān)系的證據(jù)很少。在敏感性分析中,不包括來(lái)自ZMSC的130名T2D參與者,全代謝組GWAS和MR分析確定98種T2D相關(guān)代謝物,93.26%(83種代謝物)的原始發(fā)現(xiàn)被復(fù)制。這些結(jié)果進(jìn)一步支持了發(fā)現(xiàn)的穩(wěn)健性和可靠性。Venn圖(圖2A)總結(jié)了多項(xiàng)式logistic回歸、OPLS-DA和雙樣本MR分析的結(jié)果,使用結(jié)合觀察分析(PFDR<0.05,VIP>1)和代謝組范圍MR分析(PIVW<0.05,PMR-RAPS<0.05,PPleitroy>0.05和PHeterogeneity>0.05)的標(biāo)準(zhǔn),確定了13種潛在的因果代謝物-T2D關(guān)聯(lián)。其中,6種代謝物在觀察性研究和遺傳學(xué)分析中表現(xiàn)出一致的效果(圖2B,C)。值得注意的是PC(O-16:0/0:0)及其衍生物LPC(O-16:0)是T2D的潛在保護(hù)因素,(R)-2-羥基丁酸、2-甲基乳酸、依普利酮和蘿芙素是T2D的潛在危險(xiǎn)因素。
圖2:血清代謝產(chǎn)物與T2D的潛在因果關(guān)系
5. 血清代謝物與T2D的非線性關(guān)聯(lián)
為進(jìn)一步探索血清代謝物與T2D之間的潛在非線性關(guān)系,在ZMSC中采用了RCS分析。分析側(cè)重于六個(gè)代謝物與T2D的關(guān)聯(lián),這些關(guān)聯(lián)得到了觀察和遺傳學(xué)證據(jù)的一致支持。調(diào)整了幾個(gè)可能影響代謝物的混雜因素,包括年齡、性別、BMI、吸煙和飲酒。使用最小AIC來(lái)選擇最佳的RCS節(jié)點(diǎn)數(shù)量,每個(gè)代謝物的最終模型包含三到四個(gè)節(jié)點(diǎn)。結(jié)果表明PC(O-16:0/0:0)、LPC(O-16:0)、2-甲基乳酸、2-羥基丁酸和蘿芙素與T2D的相關(guān)性主要呈線性趨勢(shì),沒(méi)有顯著的非線性效應(yīng)或拐點(diǎn)證據(jù)(圖3)。相比之下,依普利酮和T2D之間的相關(guān)性顯示出“J”形(P非線性=0.02)。
圖3:血清代謝物與T2D的非線性關(guān)聯(lián)
6. 東亞人的代謝物和血糖特征
進(jìn)行全面的MR調(diào)查以探索代謝物在T2D和EAS祖先血糖特征中的潛在因果作用。圖4顯示了12種與T2D顯著相關(guān)的代謝物,以及東亞祖先中四種血糖特征(2hGlu、FG、FI和HbA1c)中的至少一種。在12種可驗(yàn)證的代謝物與T2D的關(guān)聯(lián)中,9對(duì)在血糖特征中得到了進(jìn)一步驗(yàn)證。值得注意的是,遺傳易感性與較低的HbA1c水平和T2D風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)。天麻素是T2D的潛在危險(xiǎn)因素,與FG和2hGlu呈正相關(guān)。有機(jī)磷農(nóng)藥甲基異氟磷(IFP)也是T2D的危險(xiǎn)因素,與FG和HbA1c呈正相關(guān)。L-賴氨酸和FAHFA(6:0/18:3)是必需氨基酸和脂肪酸,是T2D的保護(hù)因素,對(duì)HbA1c具有保護(hù)作用。脫氧膽酸是腸道微生物群產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物,與T2D風(fēng)險(xiǎn)增加和HbA1c水平升高呈正相關(guān)。此外,觀察到三種氨基酸衍生物(Tyr-Val-Ser-Arg、Ile-Glu-Leu-Lys和Asp-Arg-Gln-Arg)水平升高與T2D風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān),Tyr-Val-Ser-Arg和Ile-Glu-Leu-Lys進(jìn)一步證實(shí)了它們與血糖特征的相關(guān)性。
圖4:血清代謝物與T2D和四個(gè)血糖性狀的孟德?tīng)栯S機(jī)化關(guān)聯(lián)
7. 歐洲人的T2D/血糖性狀相關(guān)代謝物
通過(guò)利用來(lái)自CLSA/METSIM和DIAGRAM的GWA匯總數(shù)據(jù),代謝組范圍的MR分析分別確定了54和83種具有名義意義的T2D代謝物(PIVW<0.05,圖S4-S5)。FDR校正后,分別使用CLSA和METSIM,發(fā)現(xiàn)5種和1種血清代謝物與T2D顯著相關(guān)。圖S6顯示了與T2D顯著相關(guān)的代謝物以及EUR祖先中四個(gè)升糖性狀中的至少一個(gè)?;?/span>CLSA的MR分析發(fā)現(xiàn),12對(duì)可驗(yàn)證的代謝物-T2D關(guān)聯(lián)中有4對(duì)在其他升糖性狀中產(chǎn)生了進(jìn)一步的證據(jù)(圖S6A)?;?/span>METSIM的MR分析發(fā)現(xiàn),9對(duì)代謝物-T2D關(guān)聯(lián)在其他血糖性狀中得到進(jìn)一步驗(yàn)證,4對(duì)代謝物-T2D具有相同作用方向的支持證據(jù)(圖S6B)。此外,8對(duì)代謝物-T2D/血糖性狀能夠在CLSA和METSIM中相互驗(yàn)證(圖S7)。
圖S4:火山圖顯示了 CLSA 中血漿代謝組范圍MR結(jié)果
圖S5:METSIM 中血漿代謝組全范圍孟德?tīng)栯S機(jī)化(MR)結(jié)果的火山圖
圖S6:歐洲人群中血漿代謝物與 2 型糖尿病及四種血糖特征的孟德?tīng)栯S機(jī)化關(guān)聯(lián)
圖S7:2個(gè)歐洲血統(tǒng)人群中驗(yàn)證代謝物與T2D及四種血糖特征的孟德?tīng)栯S機(jī)化關(guān)聯(lián)
7. 跨祖分析探測(cè)與T2D/血糖性狀相關(guān)的代謝物
值得注意的是,發(fā)現(xiàn)4對(duì)關(guān)聯(lián)的代謝物-性狀顯示出跨祖先一致性(圖5)。亞精胺和肌酸是T2D的潛在保護(hù)因素。具體而言,亞精胺與EAS祖先的2hGlu水平和EUR祖先的T2D風(fēng)險(xiǎn)呈負(fù)相關(guān)。較高水平的肌酸與EAS祖先較低的HbA1c水平和T2D風(fēng)險(xiǎn)相關(guān),與EUR祖先較低的FI水平相關(guān)。同時(shí),N-乙酰-L-丙氨酸和硫酸雌酮是血糖性狀的潛在危險(xiǎn)因素。N-乙酰-L-丙氨酸與EAS祖先的FI水平和EUR祖先的HbA1c水平呈正相關(guān)。較高水平的雌酮3-硫酸鹽與較高水平的HbA1c在歐元血統(tǒng)和FG在EAS血統(tǒng)相關(guān)聯(lián)。
圖5:2個(gè)祖先代謝物與T2D和四種血糖特征的孟德?tīng)栯S機(jī)化關(guān)聯(lián)
8. 代謝物與T2D關(guān)聯(lián)的多組學(xué)證據(jù)
通過(guò)整合基因-轉(zhuǎn)錄-蛋白-代謝物-表型軸上的多組學(xué)數(shù)據(jù),系統(tǒng)地剖析了跨多個(gè)生物層的T2D的分子機(jī)制。對(duì)于跨祖先證據(jù)支持的肌酸-T2D關(guān)聯(lián),整合了額外的組學(xué)數(shù)據(jù),包括基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué),以探索潛在的機(jī)制聯(lián)系(圖6A)。在基因組水平上,發(fā)現(xiàn)CPS1上的SNP rs1047891是ZMSC中肌酸的元QTL,并得到CLSA的支持。在轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)水平,CPS1基因在肝臟中高度表達(dá),并編碼線粒體酶,在催化尿素循環(huán)的第一步中起關(guān)鍵作用。在代謝組學(xué)水平,尿素循環(huán)產(chǎn)生的精氨酸參與肌酸合成。在表型組學(xué)水平上,發(fā)現(xiàn),在EUR血統(tǒng)中,遺傳預(yù)測(cè)的肌酸與FI和HbA1c呈負(fù)相關(guān),在EAS血統(tǒng)中與T2D呈負(fù)相關(guān)。從機(jī)制上講,肌酸可以通過(guò)兩個(gè)關(guān)鍵途徑對(duì)葡萄糖代謝產(chǎn)生有益影響:(1)增強(qiáng)β細(xì)胞胰島素分泌;(2)通過(guò)GLUT-4改善葡萄糖攝取。綜上所述,結(jié)果為肌酸的分子調(diào)控提供了一個(gè)假設(shè)的遺傳-蛋白-代謝-表型證據(jù)鏈。
還整合多維證據(jù)來(lái)探索環(huán)境暴露IFP影響T2D的潛在分子途徑(圖6B)。IFP可以在肝微粒體中降解為IFPO、ICP和ICPO。在基因組水平上,發(fā)現(xiàn)UGT1A1基因上的SNP rs28946889是ZMSC中血清異甲硫磷的元QTL(效應(yīng)等位基因:T,beta=?0.24,P=2.13×10-8)。在轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)水平,UGT1A1基因在肝臟中高度表達(dá),并編碼一種藥物代謝酶,該酶在代謝和解毒中起著關(guān)鍵作用(GTEx v10,效應(yīng)等位基因:T,正常效應(yīng)大小=0.23,P=8.30×10?6)。在表型組學(xué)水平,發(fā)現(xiàn)遺傳預(yù)測(cè)的IFP是中國(guó)人T2D的危險(xiǎn)因素。在機(jī)制上,IFP-T2D關(guān)聯(lián)涉及IFP誘導(dǎo)的胰島素抵抗??偟膩?lái)說(shuō),這些發(fā)現(xiàn)支持了IFP分子調(diào)控的一個(gè)假設(shè)的遺傳-表達(dá)-蛋白-代謝-表型證據(jù)鏈。
圖6:代謝物與T2D關(guān)聯(lián)的潛在分子機(jī)制鏈
結(jié)論
這項(xiàng)研究對(duì)T2D的潛在病因進(jìn)行了全面的代謝組調(diào)查,為其代謝基礎(chǔ)和相關(guān)心血管并發(fā)癥提供了新的見(jiàn)解。通過(guò)綜合多組學(xué)方法確定了與心臟代謝性疾病相關(guān)的關(guān)鍵代謝物和分子途徑。這些發(fā)現(xiàn)不僅增強(qiáng)了對(duì)心臟代謝性疾病復(fù)雜代謝網(wǎng)絡(luò)的理解,還為早期疾病檢測(cè)和潛在治療靶點(diǎn)提供了有價(jià)值的生物標(biāo)志物。
參考文獻(xiàn)
Cheng C, Liu Y, Sun L, et al. Integrative metabolomics and genomics reveal molecular signatures for type 2 diabetes and its cardiovascular complications. Cardiovasc Diabetol. 2025;24(1):166. Published 2025 Apr 16. doi:10.1186/s12933-025-02718-4. IF: 10.6 Q1