多组学联合篇之蛋白质组学+代谢组学，以揭示PTSD可能涉及的生物途径

研究背景

创伤后应激障碍(PTSD)是一种在遭遇创伤性事件后可能发生的使人衰弱的疾病。据估计，美国成年人的PTSD终生患病率为6.1%。许多PTSD患者对现有治疗没有反应，过去20年来，世贸中心(WTC)救援人员的PTSD患病率几乎没有变化，这表明他们面临着慢性残疾以及长期认知、社交和职业障碍的风险。因此，迫切需要了解维持PTSD的生物学过程，以便识别出有助于病情监测的新型生物标志物，改进对治疗反应的评估，并为治疗开发提供目标。我们小组之前在一项由276种血浆蛋白组成的蛋白质组学研究中发现，PTSD与血清学蛋白病有关，这些蛋白已知参与神经生物学过程、免疫学、心血管、炎症和代谢。

数据来源

1、代谢组学数据

代谢组学数据可在Synapse(https://www.synapse.org/#!Synapse:syn26532705,doi:10.7303/syn26532705)上获取。

2、蛋白质组学数据

蛋白质组学数据可在“Molecular link age between post-traumatic stress disorder and cognitive impairment:a targeted proteomics study of World Trade Center responders”一文中的补充表1中获取。

研究思路

本研究通过对124名世贸中心救援人员（56名PTSD，68名对照）的血浆样本中的1628种代谢物进行整体代谢组学和复杂脂质分析，差异代谢组学分析确定了FDR<0.1时与PTSD相关的己糖神经酰胺HCER(26:1)。多代谢物综合评分在PTSD与未受影响的对照分类中的AUC为0.839。独立成分分析确定了三个与PTSD显着相关的代谢组模块。这些模块显著富集胆汁酸代谢、脂肪酸代谢和孕烯醇酮类固醇，它们分别参与先天免疫、炎症过程和神经元兴奋性。对96名响应者子样本的代谢组学和之前的蛋白质组学数据集进行综合分析，确定了七个与代谢模块显着相关的蛋白质组模块。

主要结果

患有PTSD的参与者比创伤对照组参与者大3岁（p =0.028）。PTSD对照组和创伤对照组之间在种族或BMI方面没有显著差异（表1）。此外，PTSD组和创伤对照组在粉尘云暴露、胃食管反流病(GERD)、糖尿病、心脏病、收缩压和舒张压以及HDL、LDL、VLDL、甘油三酯、总胆固醇和肌酐水平方面均无显著差异（补充表1）。PTSD患者的高血压发生率高于创伤对照组（补充表1）。

在发现子样本中，FDR<0.1时鉴定出己糖神经酰胺(HCER(26:1))。尽管p值未达到统计学显著性，但该代谢物在复制子样本中具有一致的效应大小方向。在组合分析中，HCER(26:1)在FDR<0.1时也具有显著性（表2)。

在不同的候选特征集（即弹性网络模型中包含的前K个代谢物的数量）中，使用HD4面板中的前5种代谢物作为候选特征构建的模型在测试集中获得了最大的AUC，即0.839（图1A）。弹性网络预测模型的最优约登指数J为0.607（敏感性=0.767，特异性=0.842，阳性预测值=0.813，阴性预测值=0.800）（图1B）。这5种代谢物分别为5-氧代脯氨酸、6-氧代哌啶-2-羧酸、β-羟基异戊酸、己酸(6:0)和甘胆酸(表2)，与BMI无关（ 综合分析中p>0.05）。在对医疗条件和粉尘云暴露进行额外调整后，这5种代谢物的效应大小保持一致（补充表2）。多代谢物综合评分也与测试集中的PTSD状态显著相关（coef=1.07，p =0.001，图1C）。相比之下，在单个代谢物水平上，HCER(26:1)在CLP组训练数据中拥有最大的AUC，为0.734，但在测试数据中的AUC仅为0.598。相比之下，β-羟基异戊酸在HD4组训练数据中拥有最大的AUC（0.722），但在测试数据中的AUC略低（0.669）。

ICA算法识别出16个共表达代谢物模块和19个共表达蛋白质模块。在16个共表达代谢物模块中，3个模块（M_IC7、M_IC9和M_IC16）与PTSD状态显著相关（p <0.05）。M_IC7、M_IC9和M_IC16模块分别由44、37和65种代谢物组成（补充表5）。M_IC7在胆汁酸代谢中富集，M_IC9在脂肪酸代谢和合成中富集，M_IC16在几种类固醇中富集（图2）。

 一个蛋白质组模块（P_IC4）与代谢组模块M_IC7显著相关，三个蛋白质组模块（P_IC5、P_IC8和P_IC17）与代谢组模块M_IC9显著相关，四个蛋白质模块（P_IC8、P_IC10、P_IC11和P_IC15）与代谢组模块M_IC16显著相关；总共产生7个独特的蛋白质组模块（图3）。

文章小结

该研究通过使用无偏分析方法识别与PTSD相关的代谢物，扩大了代谢组学和脂质组学的覆盖范围。进一步还得出了一个多代谢物综合评分，该评分在重复子样本中以无偏方式进行了评估。蛋白质组学和代谢组学的综合分析补充了单变量生物标志物分析，并通过表征多组学数据集之间的分子相互作用从系统生物学角度提供了见解。