李倩, 張錫寶, 梁景耀

1.廣州醫(yī)科大學(xué)皮膚病研究所， 2.廣州市皮膚病防治所，廣東 廣州 510095

“轉(zhuǎn)錄組學(xué)”概念最早于1991年提出[1]，其研究方法主要分為兩種類型,一種是基于雜交方法，如基因芯片技術(shù)；另一種則是基于高通量測序技術(shù)，如基因表達(dá)序列分析、RNA測序(RNA sequencing，RNA-seq)。2008年高通量測序技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于組織或細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究，并逐步擴(kuò)展到其他組學(xué)[2]?！暗鞍踪|(zhì)組學(xué)”于1994年提出，經(jīng)將近三十年的發(fā)展，目前最常用的分析技術(shù)之一為質(zhì)譜分析，可對不同的取材樣本如皮膚毛囊活檢、抽吸水皰、膠帶剝離等進(jìn)行對應(yīng)組織層次的蛋白質(zhì)組學(xué)分析[3]。1999年“代謝組學(xué)”一詞被首次提出[4]，意為代謝產(chǎn)物的定量測定，在2000年再次被定義為在有限條件下對特定生物樣本中所有代謝物的定性和定量分析[5]。轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)和代謝組學(xué)已廣泛應(yīng)用于皮膚疾病研究，如皮膚發(fā)育和穩(wěn)態(tài)調(diào)控、皮膚腫瘤、遺傳性皮膚病、免疫性皮膚病、光老化及結(jié)締組織病等，發(fā)現(xiàn)了各種皮膚疾病發(fā)生、發(fā)展的新信號途徑、機(jī)制，篩選出許多新型潛在治療靶點(diǎn)[1,6]。本文就以上三個組學(xué)及其聯(lián)合分析在皮膚領(lǐng)域中的最新研究應(yīng)用作一綜述。

1 轉(zhuǎn)錄組學(xué)在皮膚領(lǐng)域的應(yīng)用

轉(zhuǎn)錄組學(xué)是指在特定細(xì)胞類型、組織或生物體中針對特定條件轉(zhuǎn)錄的完整基因轉(zhuǎn)錄本或 RNA 種類，從RNA水平上研究基因表達(dá)、基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控。近年來，轉(zhuǎn)錄組學(xué)在皮膚相關(guān)疾病中的應(yīng)用報道逐漸增多，自身免疫性疾病、感染性疾病、皮膚腫瘤、皮膚光老化等均有涉及。張靜等[7]通過基因表達(dá)譜芯片、miRNA 芯片以及生物信息學(xué)綜合分析了銀屑病皮損組織和健康人皮膚組織，發(fā)現(xiàn)了差異表達(dá)的1 139個mRNA 和16個miRNA；將其中3個miRNA(miR-199a-3p、miR-199b-3p和miR-140-3)匹配入庫并取交集得到168個差異表達(dá)的mRNA，對mRNA進(jìn)行KEGG(kyoto encyclopedia of genes and genomes)富集分析發(fā)現(xiàn)其主要參與代謝活動、多種信號通路過程及多種疾病的發(fā)生，例如黑素瘤和心肌病。銀屑病是一種全身慢性炎癥性疾病，促炎因子如TNF-α長期的增高可促進(jìn)心肌細(xì)胞溶解[8]和心肌纖維化[9]，導(dǎo)致心肌收縮功能障礙和心室內(nèi)傳導(dǎo)障礙。有研究報道，銀屑病患者擴(kuò)張型心肌病的患病率約為正常人的10倍以上[10]。該研究通過比較轉(zhuǎn)錄組學(xué)提示，某些差異表達(dá)mRNA和miRNA可能涉及銀屑病易并發(fā)疾病如擴(kuò)張型心肌病的發(fā)病機(jī)理。

血清固定是梅毒患者接受正規(guī)治療后發(fā)生率較高的一種臨床現(xiàn)象，其機(jī)制尚不清楚。Jia等[11]分析血清固定患者、二期梅毒患者及健康人的外周血單個核細(xì)胞的miRNA差異表達(dá)譜，與二期梅毒組和健康組比對，梅毒血清學(xué)固定組中發(fā)現(xiàn)了15個上調(diào)的差異表達(dá)miRNA，這些miRNA主要與受體生物合成和T細(xì)胞分化有關(guān)，提示梅毒血清固定可能與宿主的免疫狀態(tài)密切相關(guān)。miR-548b被發(fā)現(xiàn)只存在于梅毒血清學(xué)固定患者中，推測miR-548b可能通過抑制梅毒螺旋體增殖、入侵導(dǎo)致血清固定反應(yīng)。一項(xiàng)轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究比較了健康人、未經(jīng)治療的梅毒患者、血清學(xué)固定患者和血清學(xué)轉(zhuǎn)陰患者miRNA差異表達(dá)，發(fā)現(xiàn)hsa-miR-195-5p、hsa-miR-223-3p、hsa-miR-589-3p在血清學(xué)固定和血清學(xué)轉(zhuǎn)陰患者存在顯著性差異；hsa-miR-195-5p在未治療的患者和健康人中亦存在顯著差異[12]，提示這3個miRNA有可能成為新的診斷梅毒的非侵入性重要生物標(biāo)志物，為研究梅毒血清學(xué)固定提供新的研究方向。

Liang等[13]通過高通量circRNAs測序?qū)χ囟瑞畀徎颊叩钠p與非皮損組織進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了271個上調(diào)及267個下調(diào)circRNAs;GO(gene ontology)分析及KEGG富集分析顯示差異表達(dá)circRNAs主要參與炎癥、免疫及代謝反應(yīng)。該研究首次提出了circRNAs可能在重度痤瘡發(fā)病過程存在差異表達(dá)。

為了解光老化皮膚與生理老化皮膚的轉(zhuǎn)錄組差異，分析Genotype-tissue expression(GTEx)光保護(hù)和光暴露部位的公開RNA測序數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)光暴露組多種參與皮膚發(fā)育的基因出現(xiàn)顯著上調(diào)，并且脂質(zhì)代謝下調(diào)及血管發(fā)育相關(guān)基因上調(diào)被認(rèn)為是光暴露組的特征[14]。該研究對轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫中相關(guān)RNA測序數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘及生物信息學(xué)分析，為皮膚年輕化提供潛在新治療靶點(diǎn)。

2 蛋白質(zhì)組學(xué)在皮膚領(lǐng)域的應(yīng)用

蛋白質(zhì)組學(xué)采用質(zhì)譜、二維凝膠電泳、生物信息學(xué)等技術(shù)對細(xì)胞蛋白質(zhì)進(jìn)行整體分析，可以對基因組學(xué)方法和轉(zhuǎn)錄組學(xué)方法進(jìn)行補(bǔ)充，是探索疾病診斷和預(yù)后的生物標(biāo)志物、新治療靶點(diǎn)及遺傳分析的重要工具。蛋白質(zhì)組學(xué)常用技術(shù)有基質(zhì)輔助激光解吸電離、表面增強(qiáng)激光解吸電離、電噴霧電離、二維凝膠電泳、蛋白質(zhì)微陣列等[15]。

接觸性皮炎與銀屑病、特應(yīng)性皮炎等非過敏性皮膚病表現(xiàn)出相似的皮膚屏障受損和皮膚炎癥，為識別三種疾病的蛋白組學(xué)特征，Wang等[16]對銀屑病、特應(yīng)性皮炎、接觸性皮炎、同時患有特應(yīng)性皮炎和接觸性皮炎患者及健康對照的血清進(jìn)行高通量蛋白質(zhì)組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)特應(yīng)性皮炎較于銀屑病和接觸性皮炎，IgE、胸腺和激活調(diào)節(jié)趨化因子(thymus and activation regulated chemokine,TARC)和巨噬細(xì)胞衍生趨化因子(macrophage-derived chemokine，MDC)明顯升高，且TARC、MDC與SCORAD評分顯著相關(guān)，TARC、MDC可能評估特應(yīng)性皮炎嚴(yán)重程度；銀屑病患者血清中的Kynureninase (KYNU)相比其余四組明顯上調(diào)。銀屑病轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究中[17-18]，KYNU mRNA水平也被發(fā)現(xiàn)上調(diào)，提示KYNU有可能是銀屑病的獨(dú)特生物標(biāo)志物。

皮膚屏障可防止環(huán)境過敏原和病原微生物入侵[19]，免疫失調(diào)、終末上皮分化缺陷(如微絲蛋白缺乏)、抗菌肽缺乏、角質(zhì)層細(xì)胞間脂成分改變、皮膚微生物菌落改變等多種因素均可導(dǎo)致皮膚屏障受損[20]。為研究長期暴露于柴油機(jī)尾氣對皮膚原代角質(zhì)形成細(xì)胞的影響，Rajagopalan等[21]采用定量蛋白組學(xué)對暴露于柴油機(jī)尾氣的角質(zhì)形成細(xì)胞研究表明，多個影響皮膚屏障和完整性的相關(guān)蛋白表達(dá)顯著下調(diào)，如半胱氨酸蛋白酶抑制劑A和B、sciellin、角蛋白A和B、Ⅰ型和Ⅱ型角蛋白家族等；細(xì)胞周期和染色體結(jié)構(gòu)、線粒體氧化磷酸化和細(xì)胞遷移的相關(guān)蛋白表達(dá)顯著增加，如線粒體復(fù)合物Ⅰ和Ⅲ的部分蛋白組分、基質(zhì)金屬蛋白酶14、整合素β1和α2等。而該研究提示，維生素E處理能夠減輕柴油機(jī)尾氣顆粒提取物及其蒸氣對皮膚的不良影響，對長期尾氣暴露皮膚管理具有一定指導(dǎo)意義。

蛋白質(zhì)組學(xué)是補(bǔ)充遺傳疾病分析的有力工具，一項(xiàng)研究比較三種不同基因突變(PNPLA1、TGM1、SDR9C7)的先天性常染色體隱性遺傳性魚鱗病(autosomal recessive congenital ichthyosis，ARCI)患者在三個解剖位點(diǎn)(前臂、腿部、前額)的蛋白質(zhì)差異表達(dá)，研究結(jié)果示PNPLA1、SDR9C7組與正常對照組的蛋白表達(dá)差異較TGM1組有更明顯偏離，前臂和腿部與前額的蛋白質(zhì)譜也存在較大差異[22]。在疾病組中部分角蛋白、連接蛋白和角質(zhì)包膜蛋白伴有上調(diào)，TGM1下調(diào)。這為闡明ARCI的基因型與蛋白質(zhì)組之間的相關(guān)性提供了理論基礎(chǔ)。

3 代謝組學(xué)在皮膚領(lǐng)域的應(yīng)用

代謝組學(xué)是繼基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)之后的一種新興組學(xué)，是對基因調(diào)控和蛋白質(zhì)作用網(wǎng)絡(luò)的下游——所有小分子(分子量小于1 000 Da)內(nèi)源性代謝物質(zhì)同時進(jìn)行定性和定量分析，以尋找出差異代謝物，提供生物學(xué)的終端信息。

Le等[23]對皮膚T細(xì)胞淋巴瘤(cutaneous T-cell Lymphoma，CTCL)異種移植小鼠的血漿、腫瘤組織及鄰近非受累皮膚組織進(jìn)行代謝組學(xué)分析，在血漿樣本中發(fā)現(xiàn)鞘氨醇-1-磷酸(sphingosine-1-phosphate,S1P)、神經(jīng)酰胺生物合成顯著上調(diào)，皮質(zhì)類固醇生物合成下調(diào)。神經(jīng)酰胺/S1P失衡已被報道與多種疾病相關(guān)，如腫瘤[24-26]、氣道炎癥[27]、神經(jīng)退行性疾病[28]等。5-磷酸核糖-1核糖焦磷酸(phosphoribosyl pyrophosphate,PRPP)在腫瘤組織中顯著上調(diào)，且其表達(dá)水平與腫瘤直徑呈強(qiáng)相關(guān)性，提示PRPP有可能作為CTCL的潛在評估與治療靶點(diǎn)。三磷酸胞苷被發(fā)現(xiàn)在鄰近非受累皮膚組織中顯著上調(diào)，主要參與嘧啶脫氧核苷酸和胞苷一磷酸-N-乙酰神經(jīng)氨酸的生物合成。該研究通過代謝組學(xué)篩選出多種鄰近非受累皮膚組織的差異代謝物，為尋找和發(fā)現(xiàn)有價值的CTCL早期診斷生物標(biāo)志物提供新思路。

腦脊液中含有多種代謝物，腦脊液代謝物的變化可為中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病提供生化線索，并可能提供有關(guān)疾病生理和診斷標(biāo)志物的信息。Liu等[29]對神經(jīng)梅毒、非神經(jīng)梅毒和無梅毒患者的腦脊液標(biāo)本進(jìn)行非靶向代謝組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)幾個顯著的差異代謝物，其中神經(jīng)梅毒患者的N-乙酰-L-酪氨酸水平是非神經(jīng)梅毒患者的87.369倍，N-乙酰-L-酪氨酸是必需神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺的前體。神經(jīng)梅毒患者L-古洛糖酸-洛糖內(nèi)酯水平明顯低于非神經(jīng)梅毒患者，L-古洛糖酸-洛糖內(nèi)酯是維生素C的直接前體，大腦中維生素C的降低將會導(dǎo)致機(jī)體尤其是炎癥性神經(jīng)退行性疾病中氧化應(yīng)激水平增加。腦脊液中的差異代謝物在神經(jīng)梅毒發(fā)生發(fā)展中的具體作用值得進(jìn)一步探索。Qi等[30]認(rèn)為膽紅素、L-組氨酸、前列腺素E2、α2甘露酸、丁酰-L-肉堿和棕櫚酰-L-肉堿可能為神經(jīng)梅毒的新型潛在生物標(biāo)志物。

嚴(yán)重的特應(yīng)性皮炎和胞質(zhì)分裂作用因子8(DOCK8)缺陷具有一些相同的臨床癥狀，如血清IgE水平升高、嗜酸性粒細(xì)胞升高、濕疹樣皮損等，僅靠臨床癥狀和實(shí)驗(yàn)室檢查，在嬰幼兒中鑒別DOCK8缺陷患者和特應(yīng)性皮炎患者具有一定的難度。一項(xiàng)在DOCK8缺陷患者和特應(yīng)性皮炎患者開展的血清代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)7個主要差異代謝產(chǎn)物，DOCK8缺陷患者的天冬氨酸和3-羥基鄰氨基苯甲酸表達(dá)上調(diào)，而亞?；撬?、亮氨酰苯丙氨酸、甘氨酰苯丙氨酸、鳥嘌呤核苷和2-氨基辛酸表達(dá)下調(diào)[31]。天冬氨酸和3-羥基鄰氨基苯甲酸對腫瘤均有促進(jìn)作用[32]，推測與表達(dá)下調(diào)的代謝物共同導(dǎo)致了DOCK8缺陷者腫瘤易感性和免疫相關(guān)的臨床表型。這些研究表明代謝組學(xué)在疾病鑒別診斷、治療新靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)具有獨(dú)特優(yōu)勢。

4 多組學(xué)聯(lián)合在皮膚領(lǐng)域的應(yīng)用

整合多組學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以彌補(bǔ)單一組學(xué)數(shù)據(jù)分析時數(shù)據(jù)缺失、混雜等因素帶來的數(shù)據(jù)問題，并且多組學(xué)數(shù)據(jù)之間可以進(jìn)行相互驗(yàn)證，減少單一組學(xué)數(shù)據(jù)分析帶來的假陽性，更重要的是多組學(xué)數(shù)據(jù)聯(lián)合分析能多層次探索生命活動，更有利于對疾病發(fā)生完整機(jī)制、治療靶點(diǎn)等的研究。

Hosseini等[33]為研究能量代謝在UVB誘導(dǎo)皮膚原發(fā)腫瘤中的作用，采用定量蛋白組學(xué)分析人皮膚增生組織、光化性角化病、瘤周皮膚和鱗狀細(xì)胞癌組織，發(fā)現(xiàn)腫瘤與癌前病變有顯著的差異蛋白表達(dá)。相較于正常皮膚，增生組織參與脂質(zhì)生物合成的酶明顯下調(diào)，而參與糖酵解的酶明顯上調(diào)。UVB輻照8周的小鼠與未輻照小鼠的皮膚蛋白組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)UVB輻照小鼠參與糖酵解、三羧酸循環(huán)和脂肪酸β與氧化的多數(shù)蛋白質(zhì)下調(diào)，電子傳遞鏈部分遠(yuǎn)端的蛋白質(zhì)上調(diào)。對UVB輻照細(xì)胞內(nèi)游離氨基酸進(jìn)行定量代謝組學(xué)分析并進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，還原型谷氨酰胺和二氫乳酸脫氫酶都是保持UVB輻照細(xì)胞內(nèi)高氧化磷酸化水平所必需的物質(zhì)。該研究根據(jù)蛋白水平和代謝水平改變推測二氫乳酸脫氫酶的活性在皮膚癌變過程中扮演著重要作用，能量代謝的變化可能為皮膚腫瘤的預(yù)防和治療靶點(diǎn)。

化膿性汗腺炎(hidradenitis suppurativa，HS)是一種累及皮脂腺單位的慢性復(fù)發(fā)性疾病，多發(fā)生于頂泌汗腺多分布的區(qū)域，如腋窩、腹股溝等。HS是一種多因素影響的疾病，如肥胖、吸煙、細(xì)菌感染、免疫、遺傳等。有研究利用生物信息學(xué)綜合分析了以往報道關(guān)于HS的轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白組學(xué)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在HS皮膚、血液轉(zhuǎn)錄組和血液蛋白組中發(fā)現(xiàn)補(bǔ)體系統(tǒng)均有不同程度的激活；在血液中補(bǔ)體C5a增加，補(bǔ)體途徑近端成分(C3、C4和IC3b)減少；HS皮膚轉(zhuǎn)錄組發(fā)現(xiàn)皮損皮膚的漿細(xì)胞和B細(xì)胞的比例顯著增加[34]。Gudjonsson等[35]進(jìn)一步證實(shí)了B細(xì)胞和漿細(xì)胞在HS發(fā)病機(jī)制中的關(guān)鍵作用，同時也揭示了HS以干擾素-γ、IL-36和腫瘤壞死因子為中心的炎癥免疫反應(yīng)。Brutons酪氨酸激酶和脾酪氨酸激酶信號通路是HS的中心信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，提示B細(xì)胞受體和酪氨酸激酶是HS的潛在治療靶點(diǎn)。

惡性黑色素瘤(malignant melanoma，MM)是一種來源于黑色素細(xì)胞的皮膚惡性腫瘤，耐藥性一直是MM治療上的難題。Echevarr等[36]聯(lián)合靶向BET和MEK抑制NRASmut黑素瘤，轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組學(xué)分析表明，與細(xì)胞周期和DNA復(fù)制相關(guān)的調(diào)控基因及轉(zhuǎn)錄因子(TCF19、E2F1和E2F3)顯著下調(diào)，促凋亡因子Bim上調(diào)，caspase-7激活。該研究結(jié)果表明，聯(lián)合BET和MEK抑制劑可通過抑制細(xì)胞周期及轉(zhuǎn)錄、激活促凋亡信號達(dá)到抗腫瘤作用，為耐藥性黑素瘤提供了新的治療策略。分析多個黑素瘤相關(guān)的數(shù)據(jù)集研究成果，包括基因組和表型全關(guān)聯(lián)研究(GWAS和PheWAS)、生物醫(yī)學(xué)、轉(zhuǎn)錄組和代謝組學(xué)，發(fā)現(xiàn)35種可能與20個黑素瘤靶點(diǎn)相互作用的藥物，其中有5種藥物未曾報道用于黑素瘤治療[37]。該研究利用生物信息學(xué)技術(shù)等聯(lián)合分析已有數(shù)據(jù)尋找潛在治療藥物，為改善難治性疾病的治療現(xiàn)狀提供了新的選擇。

5 結(jié)語

轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)及其聯(lián)合分析在皮膚基礎(chǔ)和臨床研究已廣泛應(yīng)用，通過分析生物樣本的組織特征及其亞型，發(fā)現(xiàn)敏感生物標(biāo)志物及藥物特異性反應(yīng)指標(biāo)，為疾病發(fā)病機(jī)制研究、疾病鑒別診斷和輔助診斷、疾病風(fēng)險評估及臨床分期等多個方面提供了新的思路。目前組學(xué)在皮膚科疾病的研究有限，且單一組學(xué)數(shù)據(jù)具有一定局限性。隨各種檢測及生物信息技術(shù)不斷發(fā)展和整合，組學(xué)特別多組學(xué)聯(lián)合研究將為皮膚病的發(fā)病機(jī)制系統(tǒng)性研究、各種類型分子診斷及多層次靶向治療提供可能。