组学研究中经常会涉及到转录组-代谢组、代谢组-蛋白组等两个组学之间的关联分析，但小伙伴们有碰到过代谢组、转录组、蛋白组3个组学的整合研究吗？百趣生物小趣和大家分享一篇代谢组、转录组和蛋白组3组学整合分析的文献。
文章题目为：System biology analysis of long term effect and mechanism of Bufei Yishen on COPD revealed by system pharmacology and 3-omics profiling。该文2016年发表在Scientific Reports上，是关于中药药理方面的研究。
1前言
慢性阻塞性肺疾病（COPD）是一种具有气流阻塞特征的慢性支气管炎和（或）肺气肿，可进一步发展为肺心病和呼吸衰竭的常见慢性疾病。与有害气体及有害颗粒的异常炎症反应有关，致残率和病死率很高，全球40岁以上发病率已高达9%～10%。
补肺益肾方（BYF）是一种由12种中草药组成的中药配方，临床上已被证实对COPD具有较好的治疗效果。然而，目前BYF对COPD的长期影响和治疗机制仍不清楚。
百趣代谢组学文献分享，本研究通过转录组学 – 蛋白质组学 – 代谢组学的整合分析，并结合系统药理学分析了BYF的长期治疗效果和潜在机制，发现BYF可能通过从系统层面调节脂质代谢、氧化应激、细胞连接和炎症反应途径对COPD发挥长期治疗作用。
2研究方法
样本收集：
第0~8周建立COPD大鼠模型，第9周~20周每天给药治疗1次，第32周处死大鼠，取肺组织用于后续检测。
检测方法：
转录组：Microarray（大鼠全基因组表达谱芯片）
蛋白组：LC-MS
代谢组：LC-MS
数据分析：
Agilent GeneSpring GX sofware 11.0
SIMCA-P：PLS-DA
BINGO（Cytoscape v3.1.1插件）、ClueGO（Cytoscape插件）：分子功能注释
MetaboAnalyst 3.0：Pathway analysis
SPSS 19.0：ANOVA
3结果与讨论
呼吸系统检测：
百趣代谢组学文献分享，首先，在第0~32周，每4周测一次呼吸数据：潮气量（TV）、呼气峰值流量（PEF）和50％潮气量呼气流量（EF50），进而评估肺功能。结果显示：与对照组大鼠相比，模型组大鼠从第4周到第32周，潮气量（TV）、呼气流量峰值（PEF）和50％潮气量呼气流量（EF50）明显降低，但BYF会明显减少这种降低水平，如图1 所示。
图1 BYF对COPD大鼠肺功能的长期影响（*p< 0.05 vs. Model）
组织病理检测：
模型大鼠的肺损伤评分、细支气管壁厚度、小肺血管壁厚度、细支气管狭窄和肺泡直径都明显增加，这可以通过BYF治疗得到显著的抑制。百趣代谢组学文献分享，此外，BYF治疗也显著增加了COPD大鼠的肺泡数量。如图2所示，这些数据表明BYF治疗对COPD大鼠具有长期治疗效果。
图2 BYF对COPD肺组织组织学变化的长期影响（*p< 0.05, **p< 0.01 vs. Model）
百趣代谢组学文献分享，通过测试BYF对肺组织中炎症介质表达的长期影响，发现COPD模型组大鼠中，IL-6、IL-1β、TNF-α和sTNFR2的水平增加，并且这种增加受到BYF的显著抑制，如图3所示，这些结果证明，在第32周，BYF治疗可以有效地抑制肺组织中的炎症反应。
图3 BYF对COPD大鼠IL-1β、 IL-6 、TNF-α和sTNFR2表达的长期影响（**p< 0.01 vs. model）
蛋白酶-抗蛋白酶失衡导致结缔组织的分解，并诱导肺实质的破坏和肺气肿的发展，这是COPD中关键的发病机制。百趣代谢组学文献分享，有研究显示，在COPD患者的支气管肺泡灌洗液中观察到MMP-2和MMP-9浓度增加，肺实质中MMP-9活性增加，TIMP-1活性降低[1,2]。此外，COPD中的胶原沉积对持续性组织损伤至关重要，并且诱导气流阻塞[3]。
作者通过检测BYF对肺组织中MMP-2，MMP-9，TIMP-1和 胶原蛋白I，III和IV表达的长期影响，发现BYF显著降低了MMP-2和MMP-9的表达水平并增加了TIMP-1的表达水平（图4），且显著降低了胶原蛋白 I，III和IV的表达（图5）。百趣代谢组学文献分享，这些结果表明，BYF在第32周可通过降低胶原蛋白 I，III，IV和MMP-2/9的表达，增加TIMP-1的表达来抑制胶原沉积和蛋白酶-抗蛋白酶失衡。
图4 BYF对COPD大鼠MMP-2, MMP-9 and TIMP-1表达的长期影响（*p< 0.05, **p< 0.01 vs. model）
图5 BYF对COPD大鼠 collagens I, III, IV表达的长期影响（*p< 0.05, **p< 0.01 vs. model）
以上的结果总的来说都表明BYF对COPD大鼠具有长期治疗作用！那么这种长期作用的机制是什么呢？很羞愧上面说了那么多非重点，接下来就是本次分享的重点了。
基因层面：
通过大鼠全基因组表达谱芯片技术，检测到大约41000个基因，经分析发现在COPD模型组（VS对照组）和BYF治疗(VS COPD模型)组中分别有1063和1106个差异基因。然后对这些差异基因进行了分子功能注释，发现这些基因可归因于各种分子功能，例如氧化还原酶活性、金属内肽酶活性、激素受体结合或NF-κB结合（图6）。
图6 COPD大鼠（A）和BYF治疗大鼠（B）肺组织调控基因的分子功能
蛋白质层面：
百趣代谢组学文献分享，用基于LC-MS的蛋白质组学数据分析，发现在COPD模型（VS对照）和BYF处理的大鼠（VS COPD模型）分别筛选到191和187个差异蛋白。同样对这些差异蛋白进行分子功能注释，发现这些调节蛋白的分子功能与氧化还原酶活性、过氧化还原酶活性或NAD结合有关（图7A、B）。
图7 COPD大鼠（A）和BYF治疗大鼠（B）肺组织中蛋白的分子功能
进一步分析发现，COPD模型组（191种蛋白质）与BYF处理组（187种蛋白质）共享有132种常见蛋白。在这132种蛋白中，COPD模型组在BYF治疗后有70种共有蛋白质表达受到抑制，且主要与氧化还原酶活性、抗氧化活性、细胞外基质结合和蛋白磷酸酶结合分子功能有关，这可能是BYF作用的治疗机制（图7C）。
图7C COPD大鼠与BYF治疗大鼠之间重叠蛋白的主要功能
代谢物层面：
最后，对代谢组学数据分析，发现在COPD模型（VS对照）和BYF治疗（VS COPD模型）大鼠中分别有41和32种差异代谢物，经MetaboAnalyst通路分析发现，发现这些代谢物主要参与花生四烯酸、亚油酸或谷胱甘肽的代谢（图8）。后面通过网络互作分析发现这些代谢异常主要与脂质代谢有关。
图8 COPD大鼠（A）和BYF治疗大鼠（B）肺组织代谢物的通路分析
以上就是作者做的各组学的研究内容和分析策略啦！3个组学的研究思路基本一致，通过上述研究中，成功鉴定了许多受调节的基因、蛋白质和代谢物，这些可能与BYF对COPD的治疗效果有关。
那么这就完了？很明显没有！后面作者通过整合转录组学、蛋白质组学和代谢组学数据分析了基因、蛋白质和代谢物的系统功能，这样才能为BYF对COPD的治疗机制提供全面系统的解释。
互作网络分析：
通过Metscape软件构建相关网络图。百趣代谢组学文献分享，代谢物 – 基因网络结果表明这些网络主要分为两组，即脂代谢和能量代谢，且大部分代谢产物和许多基因参与的是脂质代谢（图9A,B）。代谢物 – 蛋白质网络结果显示该网络主要由脂质代谢或谷胱甘肽代谢组成，且超过一半的蛋白质和几乎所有代谢物都参与了脂质代谢（图9C,D）。那么则可预测脂质代谢紊乱与COPD的发生和发展以及BYF的长期治疗效果密切相关。
图9 COPD大鼠与BYF治疗大鼠肺组织中代谢物、基因和蛋白的互作网络
系统药理学与各组学整合分析：
将转录组学，蛋白质组学和代谢组学数据流与系统药理学目标数据相结合，以全面系统地了解BYF对COPD的长期治疗机制。
分析发现，在BYF潜在靶点和BYF处理组大鼠的转录检测结果之间有8个重叠蛋白（katA, MAPK14, ACHE, ADRB1, CALM1, ADRA2B, ampC, gyrB），涉及分子功能主要有MAP激酶活性、肾上腺素能受体活性、乙酰胆碱酯酶活性、乙酰胆碱结合和细胞外基质结合（图10A）。百趣代谢组学文献分享，在BYF潜在靶点和BYF处理组大鼠的蛋白检测结果之间有9个重叠蛋白（ampC, ATP5B, CALM1, COL1A2, gyrB, HSPA5, katA, SOD1 XDH），涉及的分子功能主要为氧化还原酶活性、抗氧化活性、黄嘌呤脱氢酶/氧化酶活性（图10B）。
图10 重叠蛋白的分子功能
最后，使用Metscape软件，通过构建相关网络，分析了调节BYF治疗大鼠的代谢物和靶蛋白之间的潜在关系，发现代谢物 – 靶蛋白网络主要由脂质代谢组成（图11）。
图11 BYF治疗大鼠代谢物和靶蛋白的代谢相关网络
通过以上综合分析，则为BYF治疗COPD的长期效应机制提供了的全面系统的解释。百趣代谢组学文献分享，这些结果说明BYF通过调节多种生物学途径如脂质代谢、炎症反应、氧化应激、局灶性粘连途径对慢性阻塞性肺病有长期疗效（图12）。
图12 BYF潜在靶点和BYF治疗大鼠肺组织的转录组学、蛋白质组学和代谢组学的综合分析
好啦！以上就是这篇文章的最后结果了，得出的结论总的来说有：COPD和BYF治疗的大鼠中受调节的转录物、蛋白质和代谢物归因于多种分子功能，例如氧化还原酶活性、抗氧化活性和脂质代谢；且BYF可能通过调节脂质代谢、炎症反应、氧化应激和系统水平的局灶性粘连途径实现其对COPD的长期治疗作用。
参考文献：
[1]Culpitt, S. V. et al. Effect of high dose inhaled steroid on cells, cytokines, and proteases in induced sputum in chronic obstructive pulmonary disease. Am. J. Respir. Crit. Care. Med. 160, 1635-1639 (1999).
[2]Finlay, G. A. et al. Matrix metalloproteinase expression and production by alveolar macrophages in emphysema. Am. J. Respir. Crit. Care. Med. 156, 240-247 (1997).
[3]. Leeming, D. J. et al. Serological investigation of the collagen degradation profile of patients with chronic obstructive pulmonary disease or idiopathic pulmonary fibrosis. Biomark. insights 7, 119-126 (2012).