基于代谢组学和蛋白质组学联用技术的糖尿病并发肺结核的生物标志物和代谢通路研究

The prevalence of diabetes mellitus complicated with pulmonary tuberculosis (DM-PTB) increases year by year causing a great threat to health in contemporary times. There is no study using systematic-level methods in DM-PTB field, therefore could not clarify its complex mechanisms. In this study, we recruited normal control, DM and DM-PTB patients. Firstly, we apply metabonomics to detect samples and produce high-throughput data. The analysis results are verified using a parallel human trial and targeted metabonomics investigation, and finally those differential metabolites with good reproducibility and stability are found out for pathway analysis. Secondly, the proteomics technique is used for comprehensive analysis of results from two parallel human trials. Following verification in molecular biology experiments, the differential proteins are determined for pathway analysis. Differential metabolites and proteins highly correlated with the clinical parameters are identified as biomarkers for DM-PTB. Thirdly, taking all differential metabolites and proteins together, combining the known genes related to DM-PTB, a complete and comprehensive picture of metabolic pathway is protracted. Our study, for the first time, integrate two omics data, will fully understand and elucidate the metabolic pathways of DM-PTB. Those biomarkers will provide effective method for early diagnosis of DM-PTB, and lay a foundation for targeted therapy.

我国糖尿病并发肺结核的发病率逐年升高，造成极大的健康危害。目前针对糖尿病并发肺结核尚缺乏系统生物学方法的研究，从而无法阐明复杂的发病机制。本研究拟以正常对照、糖尿病和糖尿病并发肺结核患者为研究对象，首先采用代谢组学方法进行高通量检测和数据分析，利用另一人群比对结果，并进行靶标验证，筛选重现性与稳定性良好的差异代谢产物；再采用蛋白质组学方法对两次平行人群结果进行综合分析，经分子生物学实验确认，最终确定差异蛋白质。将与临床指标高度相关的差异代谢产物和蛋白质作为糖尿病并发肺结核的生物标志物。最后将所有差异代谢产物和蛋白质作为关键点，结合已知糖尿病并发肺结核的相关基因进行通路分析，绘制完整全面的代谢通路图。本研究首次通过对两个组学的结果进行整合分析，将全面认识和阐明糖尿病并发肺结核的代谢通路，所发现的糖尿病并发肺结核的生物标志物能为其早期诊断提供有效的方法，并为临床靶向治疗奠定一定的基础。

糖尿病是结核病发生的重要危险因素，我国是糖尿病和结核大国，糖尿病并发肺结核现象在我国形势严峻，在糖尿病患者中实现肺结核的早识别、早诊断，阐明其分子机制，意义重大。由于糖尿病增加肺结核发病的原因复杂，因此代谢组学、蛋白质组学等系统生物学方法在阐明其中复杂的机制中具有较大优势，而多组学技术联用也有助于全面揭示疾病的特征。.本研究收集人群样品，分别进行两次代谢组学和蛋白质组学研究，以获得可信、稳定的实验结果。本研究得到以下结果：（1）从结果可以看出，DM-PTB患者在代谢上和蛋白水平上，与DM患者均存在较大差异。（2）对两次代谢组学分析结果取交集后，共获得14种共有的代谢产物，其中20-OH LTB4, 15(S)-HETE, 6-trans-Leukotriene B4和5-HETE对DM-PTB的发生具有较好的诊断能力，可作为糖尿病并发肺结核的代谢生物标志物。（3）对两次蛋白质组学分析结果取交集，共筛选出30种差异蛋白质。经过平行反应监测（parallel reaction monitoring, PRM）靶向定量蛋白质组学技术和分子生物学实验验证，PRM靶向定量蛋白质组学结果显示，17个备选蛋白表达趋势均与iTRAQ检测结果一致，其中15个蛋白在组间的表达情况差异有统计学意义。分子生物学结果进一步表明，C反应蛋白、甘露醇结合凝集素、α1-抗胰蛋白酶在DM-PTB组表达显著上调，载脂蛋白A-I在DM-PTB组表达显著下调。（4）整合分析代谢组组学和蛋白质组学实验数据，我们发现以上差异代谢产物和差异蛋白质可能共同参与以下代谢通路：胆汁酸及其盐的循环，脂质消化、动员和运输，有机阴离子的转运，胆汁酸和胆汁酸盐代谢，信号转导5个信号通路。.本研究通过平行实验的方法，同时联合应用代谢组学和蛋白质组学两种系统生物学技术，筛选出较为可靠的差异代谢产物和差异蛋白质，它们可能是糖尿病并发肺结核的生物标志物，可用于辅助肺结核并发的诊断。同时，差异代谢产物和差异蛋白质共同参与的这些信号通路可能在肺结核的重要机制。本研究数据将为糖尿病并发肺结核的早识别、早诊断提供新的方向和思路，并为后续的深入研究奠定一定的理论基础。