百趣代谢组学资讯:全基因组代谢组学模型揭示长寿秘诀：脂肪酸氧化升高

文章标题：System-level metabolic modeling facilitates unveiling metabolic signature in exceptional longevity

发表期刊：Aging Cell

影响因子：9.304

合作客户：中科院昆明动物研究所

百趣生物提供服务：非靶全代谢

研究背景

众所周知，代谢控制在调节各种生物体的健康寿命和寿命方面起着至关重要的作用，但对百岁老人的系统代谢剖面，即人类健康老化和长寿的范式知之甚少。同时，如何很好地描述感兴趣生物系统水平的代谢状态仍然是系统代谢研究的一大挑战。

为了应对这一挑战，更好地理解健康衰老的代谢机制，我们开发了一种全基因组精确代谢建模(GPMM)方法，该方法能够定量整合转录组、蛋白质组和运动学组数据，在代谢网络预测建模中。基准分析表明，GPMM成功地表征了NCI-60细胞株的特征代谢重编程;与现有方法相比，预测和实验测量之间的R2为0.86，极大地改善了建模的性能。

利用这种方法，检测了中国百岁人群的代谢网络，并确定脂肪酸氧化升高(FAO)是这些长寿个体最显著的代谢特征。

研究结果

在本研究中，我们开发了一种全基因组精确代谢组学建模(GPMM)方法来解决“低精度”的挑战。该方法定量地将知识库中的酶动力学信息和转录组和蛋白质组学数据中的酶水平整合到代谢模型中。具体来说，我们首先策划了通用的人类代谢组学模型，并利用文献中的信息设定了血液中主要营养物质摄取率的上限。随后构建了一个简化的Recon 3D模型，以最大限度地增加有Kcats的反应的数量，最小化没有Kcats的反应的数量。接下来，我们定量地整合了酶动力学参数和基因表达水平，以约束每个反应的上下限。最后，通过通量变异分析(FVA)，去除零通量下的反应，获得单个模型，然后进行Markov Chain Monte Carlo（马尔科夫链蒙特卡罗）(MCMC)采样，识别代谢变化和关键调控因子。

值得注意的是，GPMM实现了一些未包含在最先进的COBRA方法工具箱（COBRA toolbox v3.0）中的计算机分析，因此可以广泛应用于代谢组学工程和治疗。此外，GPMM可用于精确医学的个性化代谢组学建模。

由于输入的转录组可能会在实验或绘图过程中产生噪声，我们分析了GPMM的稳健性，以证明GPMM是否具有耐受基因表达噪声的能力。我们首先通过在每个基因的原始表达数据(即真正的表达值)中添加随机值(即人工噪声)来构建一个噪声诱导的转录组。具体来说，我们将1%、5%和10%的噪声引入NCI- 60细胞系的基因表达数据中，构建噪声诱导的转录组。然后，对真实和噪声诱导的表达数据集进行代谢组学建模，并比较两种数据集的通量结果。结果表明，无论在1%、5%或10%的噪声下，每个细胞系的R-平方都大于0.98(图1b)。我们对NCI- 60细胞株H460进行了100次5%基因表达噪声的诱导，并利用GPMM进行了代谢组学建模。我们得到了真实样本和噪声诱导样本之间的平均R2为0.984(图1c)。癌细胞中一些重要的通量，如ATP的产生和乳酸的分泌，在这100个模拟中也是一致的(图1d)。这些结果表明，GPMM算法是一种稳健的方法。

Warburg效应是NCI- 60细胞中最重要的癌症标志之一。因此，我们将预测的乳酸分泌通量与实验值进行了比较，发现GPMM很好地预测了NCI-60细胞的乳酸分泌（R2=0.86，p=2.2e-24）（图1e）。

图1. GPMM的基准分析

阐明百岁老人的代谢组学特征能更好地理解为什么这些人能够推迟或避免许多严重的与年龄相关的疾病折磨,我们旨在研究百岁老人长寿的新陈代谢从海南省群体取样。这个队列包括76个百岁老人, 54个百岁老人的子女和41个百岁老人的子女配偶。

接下来，我们应用GPMM来研究这个队列中长寿的代谢组学特征。我们总共建立了171个基于白细胞转录组信息的GPMM个体代谢模型。每个模型包含3977个反应，可分为4个功能成分:营养摄取(22个反应)、代谢转运(2478个反应)、酶催化反应(1103个反应)和分泌与需求反应(374个反应)(图2a)。

通过比较百岁老人和年轻对照组(即F1SPs)的代谢特征差异，并调整年龄和性别的影响，我们获得了343个上调和90个下调的通量。所有四种代谢过程中最显著的特征一致表明，长链脂肪酸β -氧化(FAO)在百岁老人中升高。例如，在营养吸收成分中，长链脂肪酸(即十八烯酸和十八烯酸)和氧吸收在CENs中显著升高(图2b);在代谢物转运成分中，长链脂肪酸氧化(即过氧化物酶体和线粒体)在亚细胞器中的转运也在这些长寿个体中升高(图2d)。同样，酶催化组分显示，细胞脂肪酸储存(即三酰基甘油合成)、FAO、丙酮酸代谢、支氨基酸代谢、三羧酸(TCA)循环和氧化磷酸化在百岁老人中均升高(图2c)。一致地，在分泌和需求成分中，我们发现百岁老人释放更多的二氧化碳和更少的TCA中间代谢物(图2e)。

鉴于长链脂肪酸氧化在碳分解代谢组学中的关键作用，我们探索了这一过程的上游和下游反应，以确定观察到的升高是仅限于长链脂肪酸氧化还是存在于其他碳分解代谢途径中。令人惊讶的是，我们发现长链脂肪酸氧化的上游反应，包括脂肪酸摄取、激活和转运，在百岁老人中均呈升高趋势(图2f)。长链脂肪酸氧化的下游反应、三羧酸循环(TCA循环)通量的一半(8个反应中的4个)和超过一半的氧化磷酸化复合物(5个反应中的3个)在百岁老年中显著增加(图2f)。

图2. 利用GPMM建立百岁老人(CENs)白细胞的全基因组代谢组学模型

由于系统级别较高的长链脂肪酸氧化会导致组织对脂肪酸的吸收和消耗更高，我们假设在百岁老人中血清长链脂肪酸浓度应该降低。通过生成和分析同一长寿队列的血清代谢组学数据，我们获得了505个代谢物。在去除与衰老或性别效应相关的代谢物后，我们在百岁老人中发现了83个下调和53个上调的代谢物(图3a)。在下调的代谢物中，80.7%(67/83)是脂肪酸样代谢物(FAL)(图3b)。

有趣的是，差异丰度评分(DA)分析显示71%(5/7)的类脂肪酸代谢物（FAL）家族在百岁老人中显著下调，包括磷脂酸(PAs)、磷脂酰乙醇胺(PEs)、磷脂酰胆碱(PCs)和长链脂肪酸鞘磷脂(SM)(图3c)。具体地说，在百岁老人中，PAs的100% (3/3)，PEs的100% (15/15)，PCs的81.2% (26/32)，SMs的100%(1/1)均显著降低(图3d)。除了FAL代谢物，游离长链脂肪酸(例如，反式疫苗酸和棕榈酸)在百岁老人中也显著减少(p = 0.002和3.9e- 4)(图3e,f)。与F1SP相比，F1s的反式疫苗水平显著降低(图3e, p = 0.004)，棕榈酸水平显著降低(图3f, p = 0.05)。这些结果表明，百岁老人的一些脂肪酸特征，如游离脂肪酸的减少，可能是遗传的。有趣的是，在上调的代谢物中，最显著的是胆汁酸，一组脂肪酸吸收代谢物(图3c)。这些结果表明，在我们的百岁老人代谢组学数据中，血清脂肪酸浓度下降是最显著的特征。这一观察结果也解释了我们之前的流行病学调查，该调查发现，与F1SPs相比，百岁老人的总胆固醇降低了。

图3. CENs血清中的代谢特征

研究结论

来自血清代谢组学的证据支持这一观察。鉴于脂肪酸氧化升高随正常衰老而下降，并在许多与年龄相关的疾病中受损，研究表明，脂肪酸氧化水平的升高有可能成为人类健康衰老的一个新特征。

文/阿趣代谢组学