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前言
2022年1月，
歐易/鹿明生物
合作客戶北京中醫藥大學教育部中醫養生學重點實驗室
劉銅華教授
課題組在
Frontiers in Nutrition
期刊發表了題為 “Mechanisms for Improving Hepatic Glucolipid Metabolism by Cinnamic Acid and Cinnamic Aldehyde： An Insight Provided by Multi-Omics ”的研究成果，透過
轉錄組學和蛋白質組學
研究方法，發現了肉桂酸（AC）和肉桂醛（AL）在改善葡萄糖脂代謝中的特徵，探究了其代謝作用機理。為預防和治療代謝紊亂等疾病提供了理論依據。
中文標題
：肉桂酸和肉桂醛改善肝葡萄糖脂代謝的機制：多組學提供的見解
研究物件：
小鼠
發表期刊：
Frontiers in Nutrition
影響因子：
6。576
發表時間：
2022年1月11日
合作單位：
北京中醫藥大學健康培養教育部重點實驗室，北京中醫藥大學健康栽培北京市重點實驗室，北京中醫藥大學科學技術系
運用組學關鍵技術：
轉錄組學、DIA蛋白組學、PRM靶向蛋白驗證(皆由歐易/鹿明生物提供技術支援)
● 研究背景
近年來，由於葡萄糖、脂質和能量代謝的破壞而導致的糖尿病等代謝性疾病患者數量的上升加劇了醫療保健系統的經濟壓力，這對公共衛生構成了重大威脅。因此，尋找預防和治療葡萄糖脂代謝紊亂的新策略成為一個重要的研究課題。葡萄糖脂代謝的發生可歸因於許多病原體。胰島素抵抗、炎症、線粒體功能障礙、自噬破壞以及腸道微生物群重建都可能導致代謝紊亂。而肝臟作為一種重要的代謝器官，在調節碳水化合物和脂質代謝中起著核心作用。
目前，改善飲食被認為是最安全有效的治療和預防代謝性疾病的方法，其中肉桂（主要是肉桂屬植物八角肉桂和桂皮）及其成分被證明具有多種治療作用，包括抗糖尿病、減輕體重、低脂血癥和增強胰島素敏感性。因此，使用膳食補充劑和來自肉桂的化學物質來控制血糖和血脂可能成為治療代謝類疾病的新方法。
●
研究思路
● 實驗方法
1.實驗分組
（1） 肉桂酸組：按照體重20 mg/kg的量每天使用AC
（2） 肉桂醛組：按照體重20 mg/kg的量每天使用AL
（3） 對照組：每天正常餵食
（4） 正常組：每天正常餵食
2.胰島素耐量實驗
治療4周後進行ITT實驗
3.生化測量
ITT實驗後3天處死小鼠，收集血清標本。檢測血糖、總膽固醇（TC）、甘油三酯（TG）、高密度脂蛋白（HDL）、低密度脂蛋白（LDL）、谷丙轉氨酶（ALT）、天冬氨酸轉氨酶（AST）、血清中葡萄糖、總膽固醇（TC）、甘油三酯（TG）、高密度脂蛋白（HDL）、低密度脂蛋白（LDL）、谷丙轉氨酶（ALT）、天冬氨酸轉氨酶（AST）、測定遊離脂肪酸（FFA）和血尿素氮（BUN）。
比色法測定ATP，酶聯免疫吸附試驗（ELISA）測定血清素含量
4.形態學評估
組織切片，蘇木精-伊紅染色
5.
轉錄組測序
：RNA提取、文庫構建、測序及差異表達基因分析
6.實時定量PCR
7.DIA蛋白質組學、PRM蛋白靶向驗證
● 實驗內容
1. AC和AL對小鼠葡萄糖脂代謝的影響
對照組中的Db / db小鼠血糖水平和體重與正常組相比明顯更高（圖1C，D），為嚴重葡萄糖脂代謝受損。與之相比，利用AC和AL治療4周後的 db / db小鼠的高血糖和肥胖得到明顯改善。這說明兩種化學物質都顯著抑制了db / db小鼠體重的增加（圖1D，E）。治療四周後進行的ITT實驗評估了db / db小鼠的基線血糖水平，並發現經過治療後的db / db小鼠對皮下注射的胰島素更敏感（圖1F，G）。同時，AC處理顯著減少了db/db小鼠的肝臟重量，降低了肝臟指數。AL處理雖然也有改善但不顯著（圖1H，I）。治療組的AST，ALT和BUN水平顯著降低，表明口服AC或AL可以改善db / db小鼠的腎功能和肝功能異常（圖1P-R）。
圖1 | AC和AL對小鼠葡萄糖脂代謝的影響
2. 組織學觀察
對照組小鼠的HE染色顯示肝臟中發生了嚴重的肝臟脂肪變性。AC和AL減少了脂質積累並部分恢復了破壞的肝索結構（圖2A）。定量分析顯示，治療組的脂肪變性等級明顯低於對照組（圖2D）。與觀察到的附睪脂肪重量變化一致，附睪脂肪組織的組織學觀察表明，與正常組相比，db / db小鼠的脂肪細胞顯著擴張，AC和AL減小了擴張的脂肪細胞的大小（圖2B，E）。肝臟的染色表明治療後肝糖原含量增加（圖2C）。
圖2 | 組織學觀察。
（A）從小鼠收穫的肝臟組織的HE染色。
（B）小鼠附睪脂肪（左側）的HE染色。
（C）小鼠肝臟的染色。所有影象均在200×放大倍率下錄製。
（D）脂肪變性等級分數的肝臟HE染色。
（E）從附睪脂肪HE染色中測量的脂肪細胞大小。
3. 轉錄組和蛋白質組研究
採用RNA-Seq
轉錄組
學
分析和
DIA蛋白質組學
分析，研究了AC和AL對db/db小鼠的影響。
轉錄組分析
共鑑定出16812種不同的蛋白質編碼轉錄本。其中，2837個（約16。9%）在正常組和對照組之間有顯著差異，表明db / db小鼠在轉錄水平上與野生型小鼠顯著不同。與對照組相比，共有3749個基因因攝入AC而發生顯著改變（2201個下調，1548個上調），560個基因（430個下調，130個上調）因攝入AL而發生顯著改變（圖3B）。
DIA蛋白質組學分析
鑑定出2729種蛋白質。正常組和對照組之間共發現1059個（約佔總鑑定蛋白質的38。8%）DEPs，AC處理有230個蛋白質發生顯著變化（109個上調，121個下調），AL處理有211個蛋白質發生顯著變化（116個上調，95個下調）（圖3C）。
圖3 | 小鼠肝臟的轉錄組和蛋白質組以及差異表達基因（DEGs）和差異表達蛋白（DEPs）的功能富集分析。
4. DEG 和 DEP 的功能註釋和擴充分析
透過GO富集分析發現，對照組db / db小鼠與正常組wt / wt小鼠之間的葡萄糖脂和能量代謝途徑存在顯著差異。雙餅環圖顯示，AC和AL顯著改變了代謝途徑中的基因和蛋白質表達。兩種處理在分子機制上顯示出相似的模式，並且大一部分DEGs和DEPs與代謝過程有關（圖3D）。DEPs中GO的富集表明，AC和AL特別調控脂質代謝，包括脂肪酸代謝、長鏈脂肪酸和膽固醇的運輸以及HDL顆粒清除（圖3E）。值得注意的是，大量DEPs富集線上粒體等細胞器中，這些細胞器是多種代謝途徑和維持能量平衡所必需的。
5. AC和AL對參與葡萄糖脂代謝的關鍵因素的影響
蛋白質組資料分析
鑑定出了幾種參與肝葡萄糖脂代謝的蛋白質（ACC、FASN、SCD1、CPT1A、GLUT2、GK、GS、G6Pase、PEPCK）。此外，AC顯示出抑制脂肪生成酶（ACC，FASN和SCD1）表達的趨勢，同時顯著上調了GLUT2。與對照組相比，AC顯著增加了PEPCK的表達，兩種化學物質對G6Pase均無顯著影響（圖4A）。
PRM蛋白靶向驗證
測定結果與蛋白質組變化相一致，這進一步證實了蛋白質組學資料中蛋白質的表達
（圖4B）。
圖4 | AC和AL對參與葡萄糖脂代謝的關鍵因素的影響。
6. AC和AL改善了db/db小鼠的線粒體功能
轉錄組學和蛋白質組學聯合
分析結果顯示AC和AL顯著改善了線粒體功能。GSEA分析顯示，處理組的氧化磷酸化（OXPHOS）通路顯著上調，AC組和AL組的富集得分分別為0。826和0。535（圖5A）。熱圖顯示，AC或AL處理後，OXPHOS中涉及的複合物的許多基因和蛋白都上調了（圖5B）。透過
轉錄組學和蛋白質組學聯合
檢測了其中一些蛋白的表達，結果表明除了NDUFS4之外，大多數結果與蛋白質組一致（圖5C）。
根據這一證據，作者認為AC和AL治療可以透過增強OXPHOS功效來改善線粒體功能（圖5D）。但是，處理組的ATP含量顯著低於對照組（圖5E）。OXPHOS過程產生ATP以便為生命活動提供能量。作者假設這是因為在AC和AL組中，ATPases被上調（圖6A，B），消耗了產生的ATP。
圖5 | AC和AL改善了db / db小鼠的線粒體功能。
PRM蛋白靶向驗證
7. AC和AL對色氨酸代謝的影響
，色氨酸代謝途徑中DEGs和DEPs顯著富集，AC和AL顯著提高了色氨酸代謝的基因和蛋白表達。AC和AL都顯著上調IDO2，MAOB，ALDH7A1，並且AL也顯著誘導IDO1和KYAT1（圖6C，D）。大部分色氨酸被代謝為犬嘌呤，最終形成NAD+（48），參與能量代謝。透過對小鼠肝臟中血清素含量的ELISA測定，AC和AL都顯著降低了db / db小鼠中血清素含量（圖6E）。
生物資訊學分析表明
（圖6F）。
圖6 | AC和AL對db / db小鼠肝臟色氨酸代謝的影響。
結合以上證據，說明這兩種化學物質可以調節色氨酸的代謝，特別是增加肝臟中血清素的降解
自噬過程使細胞能夠迴圈利用必要的細胞成分和適應應激條件。肥胖和糖尿病患者的自噬程序會下降。文中組學結果表明，AC和AL可能會影響小鼠肝細胞的自噬。大量的DEG在吞噬體，內吞作用和溶酶體中富集。在
8. AC和AL對自噬介導脂清除的影響
中，AC顯著上調了脂質代謝有關基因（LDLR，SRB1，SEC61A1和MRC1）。AL顯著增加了LDLR，LRP1，Cathepsin S（圖7A，B）和vATPase（ATP6V1C1）、（圖6A，B）的表達，它們與LDL清除率和吞噬體形成相關。之後作者進一步確認了脂蛋白的組成，結果與上述發現一致。在AC組和AL組中，APOA2和APOE的含量顯著降低（圖7A）。
蛋白質組學
（圖7C）。
圖7 | AC和AL對自噬介導的脂質清除的影響
這些結果表明，自噬介導的肝臟脂質清除在治療小鼠中恢復
● 研究結論
綜上所述，
透過
AC和AL治療4周後均能改善db/db小鼠的代謝紊亂狀況。
作者也確定了幾種可能的治療機制， AC和AL由於它們在體內的代謝特性而在分子機制上有很多共同點：（1）改善線粒體功能，特別是改善OXPHOS過程；（2）增加色氨酸代謝，降低血清素水平；（3）改善自噬，加速含TG和膽固醇的脂質清除。因此為後續研究AC和AL預防和治療代謝性疾病開拓了新的思路。
參考文獻
Fabbrini E， Sullivan S， Klein S。 Obesity and nonalcoholic fatty liver disease： biochemical， metabolic， and clinical implications。 Hepatology。 （2010） 51：679–89。 doi： 10。1002/hep。23280
轉錄組學和蛋白質組學聯合分析
肉桂作為一種天然產品，其內兩種重要的化學物質（AC和AL）對抗糖尿病、減輕體重、低脂血癥和增強胰島素敏感性等方面具有一定的作用。文章作者透過
小鹿推薦
對db/db小鼠肝組織進行了研究，分析了AC和AL對db / db小鼠葡萄糖脂代謝等方面的影響。研究結果表明，經AC和AL治療4周後，db/db小鼠的代謝紊亂狀況得到改善。本文研究體現了組學技術在機制研究中的重要作用。
轉錄組學和蛋白質組學聯合技術
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文末看點
在獲得AFADESI平臺原創團隊全力支援下，截止2021年9月，
lumingbio
已經完成共計近
鹿明生物
，包括
千例樣本經驗
等十幾種組織樣本空間代謝組學檢測及分析，檢測物質涵蓋膽鹼類、多胺類、氨基酸類、肉鹼類、核苷類、核苷酸類、有機酸類、碳水化合物類、膽固醇類、膽酸類、脂質類等多種類代謝物。
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