Integrative Metabolic Pathway Analysis Reveals Novel Therapeutic Targets in Osteoarthritis （解读人：闫克强）

文献名：Integrative Metabolic Pathway Analysis Reveals Novel Therapeutic Targets in Osteoarthritis（综合代谢通路分析揭示关节炎治疗的新靶点）

doi: 10.1074/mcp.RA119.001821

期刊名：Molecular & Cellular Proteomics

作者：Beatriz Rocha

通讯作者: Francisco J. Blanco

单位：

1. 西班牙科伦坡大学医学院

 

一、 概述：

在关节炎（OA）中，软骨再生困难与间充质干细胞（MSCs）的分化缺陷有关。结合蛋白质组学和代谢组学揭示MSCs分化成软骨的过程有利于寻找关节炎的治疗靶点。在本研究中，研究者利用SILAC的方法找到了关节炎病人骨髓中MSCs分化代谢通路中的43个差异蛋白。结合MALDI-MSI，进一步找到了分化早期的代谢分子特征。最后，利用综合代谢通路分析发现UDP-葡萄糖醛酸合成通路以及氨基糖代谢通路在OA病人MSCs（OA hBMSCs）分化过程中显著下调。改变这些代谢通路可能会影响透明质酸（HA）以及相关软骨胞外基质（ECM）物质的产生。这一发现增进了对OA患者MSC分化的认识，有利于靶向药物的研发。

二、 研究背景：

关节炎是一种病理复杂的疾病，涉及到多个位置的病变，包括软骨、滑膜、软骨下骨、半月板等。关节组织中的间充质干细胞（MSCs）可以再生软骨组织，用于修复关节炎中损伤的软骨组织。而且，研究发现在关节炎早起患者中，会富集大量的MSCs。这表明，在关节炎患者中，并不缺乏MSCs，而是MSCs的分化可能出现问题，导致其无法成功分化成软骨组织。因此，研究关节炎患者中MSCs的分化机制可能可以提供临床治疗的新的靶点。

基于代谢标记的SILAC技术可以很好地揭示细胞分化过程中的蛋白质变化。而结合MALDI-MSI的成像技术，可以清楚地捕捉MSCs分化过程中代谢分子的合成过程。结合蛋白质组和代谢组方法，研究者们找到了MSCs分化过程中43个显著差异的蛋白，同时也发现在关节炎患者的MSCs分化过程中，磷酸戊糖代谢途径发生了显著变化，这些发现有助于临床治疗。

 

三、 实验设计：

 

 

 

 

 

四、研究成果：

1、关节炎和对照组hBMSCs软骨分化过程

两组hBMSCs分别在培养液中诱导分化14天，利用免疫组化方法对软骨标志分子进行分析。在对照组织 hBMSCs中，Agg、CH₆S和KS三种分子显著上调，如图Fig1A-1C。而在关节炎患者hBMSCs中，仅有CH₆S和KS两种分子是显著上调的。此外，COL2A1、COL1A1以及COL10A1均在分化细胞中存在上调表达，这些标志物证实hBMSCs在培养过程中产生了细胞分化，Fig1D-1F。COL10A1在OA样本中的显著上调表达表明OA hBMSCs具有早期的软骨肥大特征。

 

Fig1. OA hBMSCs和对照组软骨分化特征

 

2、OA hBMSCs分化过程中的差异表达蛋白

利用SILAC-MS技术，在OA患者的hBMSCs分化过程中，共鉴定到281个蛋白，其中43个蛋白在分化前后两个阶段显著差异表达（33个显著上调，10个显著下调）。利用GO富集分析，发现上调的33个蛋白可归类为1）代谢过程；2）ECM组织过程；3）转录调节过程。下调的10个蛋白可归类为1）细胞骨架重组；2）转录调节。

3、OA hBMSCs分化过程中的差异代谢物

研究者们利用MALDI-MSI对3个对照和5个OA患者hBMSCs分化前后样本的冰冻切片进行分析。利用PCA以及判别分析方法，对两组中m/z范围在100-1000Da内的谱图进行分析。Fig2A-2B表明，无论是OA还是对照，其代谢物在分化前后均存在显著差异。分化前的OA和对照组具有相似的代谢物特征，在分化后代谢物特征显著不同。在OA样本中，共鉴定到35个显著差异的代谢物（Fig3）。结合多元统计分析，发现在OA和对照样本中都存在不同的代谢物组成（Fig2E-2F）。

 

 

Fig2. OA和对照组软骨分化过程中的不同代谢特征

 

Fig3. OA hBMSCs分化过程中代谢物的变化

4、差异代谢物的通路分析

利用MetaboAnalyst软件，对鉴定到的差异代谢物进行注释。发现在OA和对照样本中，嘌呤和嘧啶代谢均有显著变化。5个额外的代谢通路在OA样本中显著富集（Fig4A-4B）。

利用综合通路分析方法，发现糖酵解途径在OA和对照样本中均显著变化。5个通路在OA样本中显著变化（Fig4D）。进一步比较发现，在OA样本中，葡萄糖醛酸合成通路在分化前后的hBMSCs发生显著变化。这些数据表明，在OA细胞的分化过程中，UDP-葡萄糖醛酸和UDP-GlcNAc合成减少，而这会影响HA合成，进而影响GAGs和PGs的产生。此外，他们发现未分化的OA hBMSCs具有不同的磷酸戊糖途径（Fig5）。

Fig4. hBMSCs分化过程中代谢物以及富集通路特征

 

Fig5. OA hBMSCs中UDP-葡萄糖醛酸转换通路以及糖代谢通路代谢物变化以及时空分布

结论

本研究发现在OA患者hBMSCs的早期分化过程中，存在其特有的代谢通路变化。对这些通路的研究有助于了解软骨形成过程中的代谢机制。UDP-葡萄糖醛酸的合成可能成为关节炎治疗的新靶标。

五、文章评论：

本文结合MALDI-FT-ICR-MSI技术对代谢物的特征进行分析，方法比较新颖。同时结合蛋白质组学和代谢组学对OA hBMSCs分化过程中的代谢通路变化做了比较详尽的特征分析。说明多组学结合方法在疾病机制研究中具有较好的效果。研究成果有利于临床靶点药物的研发。

阅读人：闫克强