成功案例 | 转录组 + DIA蛋白组 + 代谢组三维整合，解锁糖尿病心衰差异化病理密码
文章题目：Multi-omics profiling of the diabetic human heart reveals coupled dysregulation in lipid metabolism, mitophagy, and extracellular matrix remodeling
文章主题：糖尿病人类心脏多组学图谱揭示脂质代谢、线粒体自噬与细胞外基质重构的协同失调
发表期刊：Genome Medicine
影响因子：10.8
组学技术：代谢组、DIA蛋白组、转录组
2 型糖尿病患者心衰风险显著升高，糖尿病心肌病起病隐匿、诊疗难度大；现有动物模型、外周血样本难以还原人类心肌真实病变，既往研究仅单一层面探究发病机制，缺少整合转录、蛋白、代谢组的人源心肌全景解析，无法阐明脂质代谢、线粒体自噬、胞外基质重构协同紊乱的内在联系，本研究基于国人心脏移植队列开展多组学联合分析，以明确糖尿病心肌病特有分子病理特征并挖掘治疗靶点。
①样本来源：糖尿病心肌病DbCM组（n=11）+非糖尿病心肌病组（n=11，年龄、性别匹配）+健康供体组（n=4）
②数据分析：转录组、蛋白组和代谢组单组学独立分析+多组学联合分析+多层级实验验证+机制整合
患者临床特征与多组学特征总览
研究纳入 11 例糖尿病心肌病（DbCM）、11 例年龄与性别匹配的非糖尿病心肌病（CM）及 4 例健康供体左心室心肌样本，两组心肌病患者基线年龄、BMI、血压、射血分数相近，DbCM 患者降糖药物 / 胰岛素使用比例更高；经质控过滤后共获得 15788 个基因、6459 种蛋白、4116 种代谢物用于分析，PLS-DA 分析显示转录组、蛋白质组、代谢组分子图谱均可清晰区分三组人群，证实 DbCM 存在独特的多层分子表达特征。
图1. 糖尿病会激活糖尿病心肌病患者心肌内的炎症与免疫相关通路
转录组全景图谱
对三组心肌样本开展转录组测序分析，PLS-DA 证明三组转录表达谱区分明显；相较于健康人群，糖尿病心肌病（DbCM）、非糖尿病心肌病（CM）均存在大量差异基因，二者共享 Wnt 通路上调、免疫炎症通路抑制的特征，而 DbCM 特异性激活炎症、脂质代谢相关通路；免疫浸润分析显示 DbCM 心肌 M1 巨噬细胞占比、IL1B/IL6/TNF 等促炎因子表达更高，色氨酸 - 犬尿氨酸代谢失衡加剧局部炎症，且上述转录层面炎症相关变化均经公共 GEO 数据集外部验证。
转录组全景的外部验证
利用公共数据集 GSE26887 对转录组结果开展外部验证，重复通路富集与免疫浸润分析后证实，两类心肌病相较于健康样本均存在免疫、炎症通路下调；同时验证了糖尿病心肌病特有的 TGF-β、TNF、NF-κB 炎症通路活化特征，xCell 分析也复现了患病组 M1 巨噬细胞占比低于健康组的规律，从独立队列层面佐证了本研究转录组概述结论的可靠性。
蛋白质组图谱解析
采用 4D-DIA 定量蛋白质组技术对三组左心室心肌样本进行全景解析，相较于健康对照，糖尿病心肌病（DbCM）与非糖尿病心肌病（CM）均检出大量差异蛋白，二者共同富集细胞外基质、基质金属蛋白酶相关纤维化通路；DbCM 组特异性富集脂质分解通路、抑制脂肪酸合成通路，COL5A1、COL5A2、FBN1 等关键胶原与弹性纤维蛋白显著下调，伴随 STEAP3 同步低表达，提示糖尿病会损伤心肌基质修复能力，蛋白水平的纤维化、脂质紊乱特征也通过 Western blot 实验得到验证。
图2. 患者体内心肌纤维化重塑通路被激活
心肌纤维化重塑
蛋白质组分析证实，糖尿病心肌病（DbCM）与非糖尿病心肌病（CM）均发生心肌纤维化重塑，两组基质金属蛋白酶 MMP2、MMP9 及抑制因子 TIMP2 同步上调，细胞外基质（ECM）- 受体互作通路普遍激活，提示心肌纤维化进程共同活化；但二者纤维化模式存在显著差异：非糖尿病心肌病胶原蛋白升高更明显，DbCM 中 COL5A1、COL5A2、FBN1 等关键基质结构蛋白特异性下调，ECM - 受体互作通路相对减弱，代表糖尿病会造成心肌基质修复能力缺陷；DbCM 还伴随 STEAP3 金属还原酶在 mRNA 和蛋白水平同步特异性降低，进一步干扰细胞外基质正常沉积。Western blot、Masson 纤维化染色验证 DbCM 心肌胶原沉积、纤维化面积低于普通心肌病，说明糖尿病并非单纯加重纤维化，而是破坏心肌损伤后的基质修复功能，降低心肌顺应性。
图3. 糖尿病患者的心肌基质修复能力存在明显受损
代谢组学研究
利用代谢组对三组心肌样本开展代谢改变全景解析，PCA/PLS‑DA 显示糖尿病心肌病（DbCM）、非糖尿病心肌病与健康对照组的代谢轮廓相互分离，提示 DbCM 存在特征性心肌代谢扰动。差异代谢物分析发现 DbCM 心肌脂质代谢发生显著紊乱，甘油三酯、脂酰肉碱等脂质分子大量蓄积；同时色氨酸‑犬尿氨酸代谢通路失衡，参与调控心肌炎症反应。代谢通路富集显示 DbCM 组脂质合成、脂质氧化分解通路异常激活，区别于普通心肌病的代谢模式。将代谢组与转录组、蛋白质组联合分析，进一步证实脂质代谢异常是 DbCM 的核心病理特征，为后续脂质‑线粒体自噬‑细胞外基质重构协同失调的机制提供代谢层面证据。
图4. 糖尿病心肌病中心肌脂质代谢发生紊乱
糖尿病心肌病心脏对甘油三酯来源脂肪酸的利用增强
基于代谢组数据发现，糖尿病心肌病（DbCM）心肌对甘油三酯来源脂肪酸的利用显著增强。DbCM 心肌内甘油三酯大量动员分解，释放游离脂肪酸，心肌偏向以脂肪酸作为主要能量底物；相较于非糖尿病心肌病，DbCM 中脂解相关代谢物丰度上升，伴随甘油磷脂代谢紊乱。蛋白水平上脂代谢关键分子 PNPLA7、PGS1 表达发生改变，进一步驱动甘油三酯水解与脂肪酸流向线粒体。心肌过度依赖脂肪酸供能，会造成脂质中间产物蓄积，诱发脂毒性，与心肌炎症、基质修复受损的病理表型相互关联，构成糖尿病心肌病重要的代谢特征。
图5. 糖尿病心脏的线粒体自噬受损，且与脂肪酸氧化密切相关
线粒体自噬发生受损，并与脂肪酸氧化过程相关
整合转录组、蛋白质组结合线粒体参考数据集 MitoCarta3.0，分析糖尿病心肌病（DbCM）心肌线粒体自噬与脂肪酸氧化的关联。结果显示 DbCM 脂肪酸合成关键蛋白 FASN 表达受抑制，ACSL1 上调促使脂肪酸活化进入氧化通路，但脂肪酸 β‑氧化不完全，造成脂质中间产物堆积。线粒体自噬核心分子 BNIP3L 在 DbCM 中显著下调，LC3A/B 蛋白水平同步改变，提示线粒体自噬功能受损。相关性分析表明 ACSL1 与 BNIP3L 呈负相关：ACSL1 高表达的患者样本 BNIP3L 水平更低，脂酰肉碱积累更多。不完全的脂肪酸氧化会抑制 BNIP3L 介导的线粒体自噬，受损线粒体无法被有效清除，进一步加剧心肌脂毒性，形成脂质过载‑线粒体自噬缺陷的有害反馈环路；上述关键蛋白的表达变化均通过 Western blot 人心肌样本得到实验验证。
多组学整合
对转录组、蛋白质组、代谢组开展多组学整合分析，将基因、蛋白、代谢物联合关联，系统解析糖尿病心肌病（DbCM）的分子特征。通过通路联合富集，确认 DbCM 区别于普通心肌病的核心特征：炎症异常活化、心肌基质修复缺陷、甘油磷脂代谢紊乱、脂肪酸氧化失衡。利用 MitoCarta 数据集筛选线粒体相关分子，构建分子相关网络，揭示脂肪酸过度动员、不完全 β‑氧化，会下调 BNIP3L 介导线粒体自噬，受损线粒体累积进一步放大脂毒性。多组学联合注释证实，脂质代谢紊乱、线粒体自噬受损、细胞外基质修复障碍、炎症异常四者相互串扰，形成级联病理环路。同时筛选出 COL5A1、STEAP3、ACSL1、BNIP3L 等一批在转录—蛋白—代谢层面同步改变的关键候选分子，为糖尿病心肌病的潜在靶点提供多组学证据支撑。
图6. 多组学整合分析揭示脂质代谢存在显著紊乱
关键蛋白的小鼠突变模型
利用小鼠突变动物模型，对前期多组学筛选得到的 DbCM 关键功能蛋白开展体内功能验证。基于人源心肌多组学结果锁定Bnip3l、Acsl1、Steap3、Col5a1等核心候选分子，构建相应基因编辑突变小鼠，模拟糖尿病心肌病体内病理环境。在糖尿病背景下，Bnip3l 缺陷小鼠线粒体自噬进一步受抑，心肌脂肪酸氧化紊乱加重，脂酰肉碱等脂质中间产物大量堆积，心肌脂毒性损伤加剧；Acsl1 过表达 / 突变小鼠表现出脂肪酸过度活化，抑制 BNIP3L 介导的线粒体自噬，重现人样本中 “脂肪酸氧化‑线粒体自噬” 负向调控关系。Steap3、Col5a1 突变小鼠则主要表现心肌细胞外基质修复异常，胶原组分紊乱，纤维化重塑模式与人 DbCM 样本特征一致，并非单纯胶原大量沉积，而是基质修复功能缺陷。小鼠模型在体内重现了人糖尿病心肌病三大核心表型：脂质代谢紊乱、线粒体自噬受损、心肌基质修复能力下降，从动物水平验证多组学预测的分子通路，证实上述关键蛋白参与糖尿病心肌病发生发展，为疾病的致病机制与潜在干预靶点提供体内实验证据。
本研究整合人心肌转录组、蛋白质组与代谢组开展多组学联合解析，系统阐明糖尿病心肌病（DbCM）区别于非糖尿病心肌病的独特病理特征：两类心肌病虽共同激活心肌纤维化重塑通路，但 DbCM 存在特异性心肌基质修复能力缺陷；DbCM 心肌甘油磷脂代谢紊乱，心肌对甘油三酯来源脂肪酸利用增强，不完全脂肪酸 β- 氧化诱发脂毒性，并伴随 BNIP3L 介导的线粒体自噬受损，二者形成有害反馈环路。多组学降维分析进一步证实脂质代谢紊乱、细胞外基质重塑与免疫通路异常是 DbCM 核心分子事件，经小鼠基因编辑模型在体内验证 STEAP3、COL5A1、ACSL1、BNIP3L 等关键分子的功能，最终揭示脂质代谢失衡、线粒体自噬障碍与心肌基质修复缺陷相互串扰共同驱动糖尿病心肌病进展，为该病机制解析与潜在干预靶点筛选提供多层次实验依据。