血液中竟藏有这么多秘密！如何从血浆蛋白中解析心肺功能是否健康？

摄氧量（VO₂）是一种衡量身体向骨骼肌提供氧气以进行体力劳动的能力的方法。VO₂反映了多个器官系统和细胞过程的整合，包括肺通气、携带氧的能力和通过循环系统的运输、心输出量、中枢神经系统运动单位的补充、毛细血管-骨骼肌水平的氧扩散和提取，以及线粒体呼吸。最大摄氧量（VO₂max）定义了这些过程的极限，因此被广泛认为是心肺功能（CRF）的金标准测量方法。然而，基线VO₂max的个体间差异以及运动训练后VO₂max增加（ΔVO₂max）的分子决定因素在很大程度上是未知的。

来自Nature Metabolism（IF：19.865）上的一项题为Human plasma proteomic profiles indicative of cardiorespiratory fitness的研究中，作者在650多名久坐不动的成年人的血液中测量了约5000种血浆蛋白，在20周耐力运动干预前后，分别鉴定了147种蛋白质和102种蛋白质，它们的血浆水平与基线VO₂max和ΔVO₂max相关。将源自这些蛋白质的蛋白质生物标志物添加到基于临床特征的评分中，可以提高对个体ΔVO₂max的预测。作者还在一个单独的运动队列中验证了研究结果，进一步将21个蛋白与社区队列中的全因死亡率联系起来，并使用基于抗体的分析重现了约75%的关键研究结果的特异性。本次研究的数据揭示了与心肺健康相关的生物途径，并强调了蛋白质生物标志物在识别人类运动反应性方面的潜在附加价值。

1  HERITAGE队列参与者特征

HERITAGE队列由成年父母以及他们的生物学后代构成。用于基线VO₂max分析的整个队列（n=745）的平均年龄为34.3岁，队列中非洲裔美国人有288名（39%），女性有409名（55%），后代有503名（68%）。基线VO₂max平均值为2,345 ml min⁻¹，在运动训练前后进行VO₂max测量的参与者中（n=654），平均ΔVO₂max为383ml O₂ min⁻¹。

2  血浆蛋白与VO₂max的基线水平相关

作者使用多重单链DNA适配体（SOMAmers)检测了5000个蛋白质，分析了后代中年龄和性别调整后的蛋白与基线VO₂max的关联，然后在亲代中重现这一发现，最终，作者确定了94个与后代VO₂max相关的蛋白质，其中有50个与亲代VO₂max名义显著相关，并且90/94的蛋白在方向上具有一致性。

在整个队列中，总共鉴定了与基线VO₂max相关的147个循环蛋白，85个正相关，62个负相关。与基线VO₂max正相关的蛋白跨器官系统与CRF相关的生物学过程，如血管生成、凝血和造血以及脂质代谢，还发现了大量与横纹肌结构和功能相关的循环蛋白，包括肌动蛋白和肌球蛋白稳定分子、参与肌肉收缩的蛋白质以及两个必要的肌球蛋白轻链元素，它们在肌肉跨桥周期中调节力的产生，同时，还鉴定了几种参与血浆糖酵解的肌肉亚型特异性酶。此外，还确定了一些已知的与肥胖呈正相关的代谢失调标志物，如瘦素、CRP和胰岛素，而它们与基线VO₂max呈负相关。

图1 在后代和亲代中与基线VO₂max相关的蛋白质

图2 与基线和ΔVO₂max相关的血浆蛋白

图3 与基线VO₂max相关的肌肉蛋白

3  在外部队列中对基线VO₂max发现的验证

为了进一步评估研究结果的普遍性，文中选择了一个腹部肥胖的队列进行类似的蛋白质组学筛选。在HERITAGE队列中鉴定到的与基线VO₂max相关的147个循环蛋白，有107种可在验证数据集中获得。在经年龄、性别和BMI调整的线性回归模型中，79种蛋白质具有方向一致性，24种蛋白质在验证队列中具有统计学意义。

4  与运动训练中VO₂max变化相关的蛋白质

作者在一个线性回归模型中发现了102种与ΔVO₂max相关的基线蛋白质，该模型根据年龄、性别、BMI、种族和VO₂max的基线水平进行了调整。随后作者进行了GSEA分析，以进一步阐明这组蛋白质之间以及之前在基线VO₂max分析中确定的蛋白质的生化途径，结果发现，与ΔVO₂max负相关的蛋白在Ecm相关蛋白（“基质体”）中富集最多。然而，正相关蛋白在核心信号通路中富集，包括血小板源性生长因子受体、神经营养因子和肝细胞生长因子信号通路等。作者还比较了与基线VO₂max相关的蛋白质组与运动训练的适应性VO₂max变化相关的蛋白质组，发现两组之间的重叠很小，只有5个蛋白，包括T132B、ATF6A、COL9A1、INS和PIANP与基线VO₂max和ΔVO₂max相关。

图4 与ΔVO₂max或基线VO₂max相关的蛋白的GSEA分析

5  血浆蛋白提高了对ΔVO₂max反应的预测

作者首先使用临床特征模型进行了ROC分析，该模型包括年龄、性别、种族和BMI，相对VO₂max变化>15%，曲线下面积（AUC）为0.62 (P=0.91）。利用5000个蛋白质的特征选择和弹性网络回归模型得到了最终的56个蛋白质的面板。接下来，作者将蛋白面板添加到临床特征模型中，发现AUC显著增加到0.81（P=0.00018），提高了对ΔVO₂max反应的预测性。

图5 运动训练的相对VO₂max变化大于15%时的ROC曲线

6  VO₂max蛋白质与死亡率的相关性

作者之前在弗雷明汉心脏研究（FHS）后代研究中进行了蛋白质组学分析，结合本文中蛋白质组学分析结果发现，在102个与ΔVO₂max相关的蛋白中，有20个在FHS中获得，与基线VO₂max相关的147个蛋白中有36个在FHS中获得。后续作者发现，与基线VO₂max相关的36个蛋白中有12个，与ΔVO₂max相关的20个蛋白中有9个与全因死亡率相关。

7  支持适配体特异性的补充数据

作者使用基于抗体的蛋白质组学平台测试了在HERITAGE样本中基于适配体的主要发现的可重复性。结果发现，在HERITAGE中发现的25个基于适配体的主要蛋白质中，有19个与基于抗体的检测密切相关。除此之外，作者还利用基于质谱（MS）和遗传分析来检测适配体分析的特异性，有17个蛋白在顺式位点（该蛋白同源基因转录起始位点1 Mb内）的全基因组显著关联，这与适配体-蛋白关系的特异性一致。

图6 基于适配体的分析和基于抗体的分析之间的斯皮尔曼相关性

通过本次研究，作者确定了大量与VO₂max相关的循环蛋白，并强调了其基线状态以及其对耐力运动训练的适应所存在的不同特征。作者的发现强调了与这些性状相关的特定蛋白质和生化途径，对这些数据的进一步分析将会产生额外的生物学见解，并激发模型系统的研究，以确定这些蛋白质的来源和评估其功能意义。

文章中使用的基于适配体的蛋白质组学平台为SomaScan Assay，目前可以一次性检测11000种蛋白质，如您在做蛋白质组学相关的研究，欢迎与我们联系。

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