綜合代謝組學(xué)和基因組學(xué)揭示了2型糖尿病及其心血管并發(fā)癥的分子特征

代謝物在2型糖尿?。?/span>T2D）及其心血管并發(fā)癥的生物過程中起關(guān)鍵作用。然而，它們對這些疾病的貢獻尚未得到全面評估，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列（ZMSC）中進行了全代謝組全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS），然后進行了雙樣本孟德爾隨機化（MR）分析，以探索潛在的因果代謝物-T2D關(guān)聯(lián)。為增強跨血統(tǒng)的泛化性，在歐洲血統(tǒng)中進行了MR分析，以探討血清代謝物對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制。結(jié)果確定了6種與中國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。其中包括兩個潛在的保護因素（PC[O-16：0/0：0]及其衍生物LPC[O-16：0]）和四個潛在危險因素（[R]-2-羥基丁酸、2-甲基乳酸、依普利酮和蘿芙素）?？缱嫦却x組范圍分析進一步揭示了四種共享的潛在致病代謝物，突出了肌酸對T2D的潛在保護作用。通過多組學(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)癥提供了新的見解，強調(diào)了尿素循環(huán)相關(guān)代謝物在疾病風(fēng)險和進展中的作用。這些發(fā)現(xiàn)促進了對T2D病因中循環(huán)代謝物的理解，為未來的研究提供了潛在的生物標(biāo)志物和治療靶點。

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.浙江代謝綜合征隊列（ZMSC）代謝組測定

在ZMSC中，通過基于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因素，而145種代謝物是潛在的危險因素。按性別進行的亞組分析顯示，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，納入來自醫(yī)療保險系統(tǒng)的藥品購買記錄，根據(jù)2015年至少兩次購買T2D藥物或FG≥7.0 mmol/L定義為T2D，進行敏感性分析?；卺t(yī)保險購藥記錄（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評分圖（圖1B），基于PSM的T2D病例和對照可以成功區(qū)分。通過十倍交叉驗證計算，R2為0.89，Q2為0.67，表明模型的穩(wěn)健性。此外，OPLS-DA模型識別了428種VIP評分>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)計顯著性閾值且VIP評分>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，表明幾乎沒有種群分層的證據(jù)。為提供遺傳調(diào)節(jié)的證據(jù)，進行了代謝組范圍的雙樣本磁共振分析，以評估血清代謝物和T2D之間的潛在因果關(guān)系?；?/span>ZMSC隊列的GWAS匯總統(tǒng)計數(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)測的血清代謝物對T2D風(fēng)險的磁共振估計產(chǎn)生影響。

為估計潛在的反向因果關(guān)系，對代謝物與T2D關(guān)聯(lián)進行了反向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來選擇最佳的RCS節(jié)點數(shù)量，每個代謝物的最終模型包含三到四個節(jié)點。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，沒有顯著的非線性效應(yīng)或拐點證據(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種可驗證的代謝物與T2D的關(guān)聯(lián)中，9對在血糖特征中得到了進一步驗證。值得注意的是，遺傳易感性與較低的HbA1c水平和T2D風(fēng)險相關(guān)。天麻素是T2D的潛在危險因素，與FG和2hGlu呈正相關(guān)。有機磷農(nóng)藥甲基異氟磷（IFP）也是T2D的危險因素，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的保護因素，對HbA1c具有保護作用。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)險增加有關(guān)，Tyr-Val-Ser-Arg和Ile-Glu-Leu-Lys進一步證實了它們與血糖特征的相關(guān)性。

圖4：血清代謝物與T2D和四個血糖性狀的孟德爾隨機化關(guān)聯(lián)

7. 歐洲人的T2D/血糖性狀相關(guān)代謝物

通過利用來自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祖先中四個升糖性狀中的至少一個?；?/span>CLSA的MR分析發(fā)現(xiàn)，12對可驗證的代謝物-T2D關(guān)聯(lián)中有4對在其他升糖性狀中產(chǎn)生了進一步的證據(jù)（圖S6A）。基于METSIM的MR分析發(fā)現(xiàn)，9對代謝物-T2D關(guān)聯(lián)在其他血糖性狀中得到進一步驗證，4對代謝物-T2D具有相同作用方向的支持證據(jù)（圖S6B）。此外，8對代謝物-T2D/血糖性狀能夠在CLSA和METSIM中相互驗證（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爾隨機化（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爾隨機化關(guān)聯(lián)

圖S7：2個歐洲血統(tǒng)人群中驗證代謝物與T2D及四種血糖特征的孟德爾隨機化關(guān)聯(lián)

7. 跨祖分析探測與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)險呈負相關(guān)。較高水平的肌酸與EAS祖先較低的HbA1c水平和T2D風(fēng)險相關(guān)，與EUR祖先較低的FI水平相關(guān)。同時，N-乙酰-L-丙氨酸和硫酸雌酮是血糖性狀的潛在危險因素。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個祖先代謝物與T2D和四種血糖特征的孟德爾隨機化關(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)地剖析了跨多個生物層的T2D的分子機制。對于跨祖先證據(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，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)測的肌酸與FI和HbA1c呈負相關(guān)，在EAS血統(tǒng)中與T2D呈負相關(guān)。從機制上講，肌酸可以通過兩個關(guān)鍵途徑對葡萄糖代謝產(chǎn)生有益影響：（1）增強β細胞胰島素分泌；（2）通過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，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)測的IFP是中國人T2D的危險因素。在機制上，IFP-T2D關(guān)聯(lián)涉及IFP誘導(dǎo)的胰島素抵抗?？偟膩碚f，這些發(fā)現(xiàn)支持了IFP分子調(diào)控的一個假設(shè)的遺傳-表達-蛋白-代謝-表型證據(jù)鏈。

圖6：代謝物與T2D關(guān)聯(lián)的潛在分子機制鏈

結(jié)論

這項研究對T2D的潛在病因進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)癥提供了新的見解。通過綜合多組學(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)不僅增強了對心臟代謝性疾病復(fù)雜代謝網(wǎng)絡(luò)的理解，還為早期疾病檢測和潛在治療靶點提供了有價值的生物標(biāo)志物。

參考文獻

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