近年来，随着组学技术的快速发展，已成为科研工作者机制研究的重要工具。由于疾病的发病机理及病程发展极其复杂，基因突变、基因表达水平、翻译后修饰、代谢结构变化等诸多因素都在影响着生命体特征的改变。单一组学的研究只能识别单一的变化，不能发现导致变化的原因，也无法研究复杂生物过程的相互联系。而不同组学的联合分析，不仅可以相互验证，而且可以系统全面地解析分子功能和调控机制，用于多层次、多角度地解析致病机理及寻找治疗靶点。

 

 

一、转录组+代谢组联合分析

 

转录组和代谢组是两种重要的生物学研究方法，他们分别研究基因转录的mRNA水平和生物体内代谢产物的变化。

转录组是研究功能基因的利器，主要是测定某一时期生物体在特定条件下基因的表达谱，即对RNA进行鉴定和定量，表达谱能反映机体的生理状态，如通过分析差别表达情况，去判定机体癌症相关的病变。但单一的转录组难以确定关键途径。

代谢组学是基于LC-MS/MS液质联用技术对生物样本中的小分子代谢物进行定性和相对定量分析。可以利用代谢组来反映表型的状态变化，但是单独代谢组检测，无法解释影响表型的基因机理。

 

图1 代谢物和基因的关联网络

 

转录组+代谢组的多组学分析，可以同时实现从“因”和“果”两个层面来探究生物学问题，相互间进行验证，从海量的数据中筛选出关键基因、代谢物及代谢通路，深度解析生物系统的宏观发育过程，解释生物过程的复杂性和整体性。

 

 

二、研究思路

 

 

 

1、样本收集：首先，根据研究目的，选择相应的样本，筛选生理表型数据。如疾病患者和健康对照的组织、细胞或体液等。

2、上机测序：提取样品中的RNA并进行转录组测序，获取基因表达谱的信息。对测序数据进行质量控制、数据预处理等获取基因表达数据。代谢组学实验则通过提取样本中的代谢产物，并通过质谱分析（LC-MS等）获取代谢物谱的信息。对质谱数据进行质量控制、数据处理、特征提取和定量分析，获得代谢物的相对丰度信息。

3、差异表达与差异代谢物分析：通过比较不同样本或条件下的基因表达和代谢产物变化，找出差异表达的基因和代谢物。如利用转录组数据，识别在特定的生物过程下较活跃的基因；同时，从代谢物数据中筛选样本间存在显著浓度变化的代谢物。

 

4、功能注释与富集分析：对筛选出的候选基因进行功能注释，以了解它们参与的生物过程和途径，同时进行富集分析，进一步理解它们与差异代谢物之间的潜在联系。

5、数据整合与联合分析：通过富集通路关联分析或相关性分析，从而揭示mRNA和代谢物在表达水平上的相关性，从而反应其在生物学过程或疾病进程中发挥的协同或者抑制作用。

（1）基于功能层面的联合分析，即KEGG富集分析。利用KEGG数据库，将组间存在含量差异的基因/蛋白质和代谢物投影到KEGG pathway上，通过交集的通路，快速锁定关键基因/蛋白质与代谢物。

 

图2 富集的关键变化代谢途径

 

（2）基于单维相关性的联合分析，从表达量的层面进行组学间的关联，即相关性分析。从统计学的角度，“算出”一些具有同步变化规律、或者权重高影响重大的基因或代谢物，如person相关性分析等

 

图3 Spearman相关性分析

 

6、生物学验证：根据关联分析的结果，进行生物学解释，如对目的基因和代谢物进一步实验验证，揭示基因与代谢物之间的关联机制。

 

基于代谢组和转录组数据可以全面、系统地研究转录组和代谢组之间的相互作用和调控关系，从而更深入地理解生物体的代谢过程和基因表达调控机制。从基因转录和代谢物变化两个层面共同揭示生物体在医学领域的复杂生命活动规律。接下来分享两篇医学领域的转录组+代谢组研究案例，带您一览组学联合的常见分析策略

 

 

三、经典案例1

 

 

中文题目：肥厚型心肌病的心脏能量学改变和线粒体功能障碍

发表期刊：Circulation

影响因子：37.8

发表时间：2021.10

文章链接：doi: 10.1161/CIRCULATIONAHA.121.053575

研究背景：肥厚型心肌病(HCM)是一种复杂的疾病，部分原因是个体基因变异对肌节蛋白生物力学的影响。在细胞水平上，HCM突变最常见的是增强力的产生，从而导致更高的能量需求。尽管在阐明肌节结构与功能关系方面取得了重大进展，但关于心脏能量改变与HCM表型之间的联系机制，仍有很多东西有待了解。

 

 

研究概述：本研究对13名HCM患者和6-7名非HCM患者心肌组织进行了多组学分析，包括代谢组、脂质组和转录组。该研究中HCM患者超声心动图表明其处于心脏收缩功能高动力的早期阶段，使用非靶向和靶向质谱进行代谢物和脂质分析，通过RNA测序进行基因表达分析。PCA图表明HCM患者分子特征与对照有显著差异，通路富集显示，所有代谢通路均发生显著变化，提示能量代谢发生全面失调。在代谢网络图上总结了主要代谢变化，表明关键代谢酶及其相关代谢物或脂质的转录发生一致的变化。本研究结合线粒体结构和功能分析对HCM心肌进行了深入的多组学表征，揭示了HCM病理生理学的潜在分子机制，包括主要生化通路的主要代谢紊乱。

 

三、经典案例2

 

中文题目：整合转录组学、代谢组学和GWAS有助于揭示代谢水平和疾病风险的分子机制

发表期刊：American Journal of Human Genetics

影响因子：9.8

发表时间：2022.10

文章链接：doi:10.1016/j.ajhg.2022.08.007

研究背景：关于如何整合转录组学、代谢组学和基因组关联研究（GWAS）来揭示代谢物水平和疾病风险之间的分子机制。过去的研究已经发现了转录组和代谢组之间的关联，并且GWAS已经鉴定出了与多种疾病风险相关的基因变异。然而，目前对于这些不同层面之间的相互作用和调控机制还不清楚。

 

 

研究概述：本研究旨在通过整合转录组学、代谢组学和全基因组关联分析（GWAS）数据，揭示代谢物水平和疾病风险的分子机制。研究发现，调控代谢物水平的遗传变异更有可能影响基因表达和疾病风险。将转录组学与代谢组学结果整合，对521种代谢物的397个基因进行了优先排序，其中包括496个先前鉴定的具有强功能联系的基因-代谢物对，并表明这些基因-代谢物对中有33.3% 与基因表达的遗传关联具有相同的因果变异。将转录组学和代谢组学与FinnGen GWAS（芬兰基因组计划）结果分别整合，确定了790种疾病特征的1597个基因。本研究整合转录组学和代谢组学与GWAS结果联合分析，发现调节血浆(E，E)-胆红素水平确定了UGT1A1/UGT1A4表达在胆囊病中的可能因果作用，加深了我们对胆红素、哮喘等疾病机制的理解。

 

四、结语

 

生物体的生命活动是非常复杂的过程，基因、mRNA、蛋白、代谢和环境共同影响着生命系统的表型和性状，因此多组学的联合必定是生物学家研究生命活动机制的必然趋势。

代谢组和转录组的联合分析可在一定程度上克服单一组学研究的局限性，从而在代谢通路上更好地解释转录调控机制。

 

 

 

 

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欧易生物简介

 

上海欧易生物医学科技有限公司（简称：“欧易生物”），成立于2009年，经过十多年稳健发展；公司现已建成完整齐备的多组学检测服务平台和多组学联合大数据分析平台，提供基因组、转录组、表观组、微生物组、蛋白组、代谢组等全组学检测服务；并不断跟踪组学技术进展，近几年在单细胞测序技术、空间多组学技术（空间代谢组、空间转录组、空间蛋白组）、单细胞蛋白组技术、多组学联合分析等方面逐渐取得综合优势。

 

 

欧易生物先后与中国海洋大学、中国科学院遗传与发育生物学研究所等机构建立了紧密的产学研合作，与日立诊断产品有限公司共建联合研发实验室，与华东师范大学合作建立院士专家工作站，并陆续获得闵行区研发机构、闵行区科技小巨人企业、上海市科技小巨人企业等资质。还获得知识产权管理体系认证企业资质，总授权发明专利38项、在审发明专利48项、授权软件著作权170项（含欧易生物及旗下子公司）。至今已累计助力客户发表4500+高水平研究论文，累计影响因子38000+；发文期刊包括Nature、Cell、Science、Cancer Discovery、Cell Discovery 等知名期刊。