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Science Signaling:整合蛋白组学分析揭示高盐饮食导致高血压-肾病机制

发布时间: 2020-02-13
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众所周知,已知长期高盐饮食会增加患高血压的风险,进而发展导致心血管疾病和慢性肾脏疾病。高血压与肾病存在密切联系,一方面,肾脏实质性病变和肾动脉病变导致血压升高,这种关联性疾病在继发性高血压中称为肾性高血压(renal hypertension)。另一方面,慢性肾脏疾病有三分之一由高血压导致,长期高血压将造成肾脏不可逆转的器质性损害,导致尿中蛋白质增加,从而引发高血压肾病(hypertensive renal disease)。不管是患有肾病还是患有高血压都会有可能诱发另一种疾病的出现,但人们对其中的具体机制知之甚少。

近日,在国际专业学术期刊Science Signaling上发表了一篇采用整合蛋白质组学联合分析的手段研究高血压-肾病转换的文章,德国科隆大学的Gary Siuzdak课题组对高盐饮食诱导的高血压模型大鼠肾脏组织进行蛋白质组学、磷酸化修饰组学和代谢组学分析,揭示了高血压引起肾小球硬化的代谢变化,包括在疾病早期阶段的脂质分解和激活贫血通路,提示通过饮食干预代谢能够有效防治高血压引起的肾脏疾病。

Science Signaling:整合蛋白组学分析揭示高盐饮食导致高血压-肾病机制

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研究速读

Science Signaling:整合蛋白组学分析揭示高盐饮食导致高血压-肾病机制

1. DDS大鼠模型与非靶向代谢组学分析

研究人员首先建立了一个具有高血压和蛋白尿特征的大鼠模型(Dahl salt-sensitive,DSS)。首先,研究者使DSS大鼠日常摄入4%的过量盐分,7天后仅观察到血压升,随后至21天血压持续上升并伴有肾损伤。对高盐饮食早期(7天)和后期(21天)的DSS大鼠肾小球和肾小管进行非靶向性代谢组学分析显示,肾小球内支链氨基酸、脯氨酸和脂质代谢发生改变,对于高血压具有明显反应。靶向代谢组分析发现一些代谢物只在肾小球中发生改变。高盐饮食后期,三磷酸腺苷(ATP)/二磷酸腺苷(ADP)比值显著降低,氧化脂质5-羟基十二碳酸(5-HETE)、9-HETE和15-HETE在肾小球中增多,而在肾小管中并没有发生变化。结果揭示了高血压大鼠代谢应激(氧化应激和能量代谢物消耗)主要存在于肾小球中,而非肾小管。

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图1. 对DDS大鼠进行组织特异性表型和非靶向代谢组学分析

2.磷酸化组学揭示磷酸化信号网络变化

基于观察到的代谢组学变化可能会引起依赖磷酸化蛋白的信号传递改变这一假设,研究人员进一步进行了基于质谱技术的磷酸化修饰组学分析。研究共鉴定到约3000个磷酸化位点,其中90个磷酸化位点在第7天被调控,而只有5个磷酸化位点在第21天被调控。此外,研究人员发现抑制Prkaa2(AMPK的催化亚基)的位点磷酸化水平降低可以激活AMPK,从而诱导RPTOR激活位点也被磷酸化,最终激活哺乳动物mTORC1蛋白,这表明代谢信号通过mTOR和AMPK信号进行传递。

对高可信度磷酸化位点的表达变化分析表明,两个磷酸肽簇的增加与高血压损害相关。同时,motif分析暗示了这类磷酸化肽段具有嗜碱性特点。此外,研究人员还进行了富集分析,发现AMPK和相关激酶如糖原合酶激酶(GSK),HMG-CoA还原酶激酶以及抑制胆固醇合成过程中关键性酶的激酶富集比例较高。

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图2. 磷酸化修饰组学分析

最后,研究人员对两个具有最多激活证据的激酶(AMPK和Raptor)进行了定量磷酸化蛋白组学结果模拟,模型结果显示代谢信号的靶点是GTP结合蛋白RCC1的Ser11,这会导致活性增强;还有参与肌动蛋白捆绑的Ser3位点和3-磷酸肌醇依赖蛋白激酶1(PDK1)激活位点,表明了代谢信号控制肾小球的主要病理生理通路。

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图3.模拟依赖于代谢的磷酸化组学结果

3.蛋白质组学分析揭示代谢过程中酶的改变是肾小球疾病的一个保守特征

为证实上述实验结果是否主要由于蛋白水平改变而引起的,研究人员对相同样本的蛋白质组学进行了分析。结果显示与磷酸化相比,蛋白质丰度的改变程度较轻,这表明表型受代谢信号的调控比受蛋白质表达的调控更大。

接下来,研究人员通过KEGG数据库进行代谢建模和采用MetExplore进行网络反应映射分析,结果显示β-oxidation通路和支链氨基酸分解代谢增加。这与代谢组学数据一致,表明硬脂酸、酰基肉碱和支链氨基酸含量下降。网络映射揭示支链氨基酸亮氨酸是系统的关键碳源,解释了代谢信号的激活,包括mTOR信号的抑制。蛋白质组学分析揭示了参与支链氨基酸分解代谢的酶丰度增加,从而解释了代谢物丰度降低的原因,表明代谢过程中酶的改变是肾小球疾病的一个保守特征。

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图4. 蛋白质组-代谢组整合分析

综上所述,研究者基于高血压肾损伤大鼠模型,整合整合蛋白质组学方法分析高血压产生的相关影响(诱发高血压后1周)和组织重塑引起的变化(诱发高血压后3周)。代谢损伤发生在肾小球,而肾小管的改变主要与氨基酸处理的改变有关。早期肾小球是用于能量的消耗,具体涉及GTP、脂质分解和不同氨基酸种类的使用,这些导致AMPK信号和磷酸化依赖信号传递到细胞骨架,调节代谢产物蛋白的变化。

研究发现了代谢组控制的关键途径和机制,这些途径和机制与通常认为不受代谢控制的生理功能和基因组干扰有关,为高血压导致的肾脏分子重连接及其作为代谢疾病的分类提供了一个新视野。

参考文献:

Markus M. Rinschen, et.al., 2019, Metabolic rewiring of the hypertensive kidney. Science Signaling.

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