综合代谢组学和基因组学揭示了2型糖尿病及其心血管并发症的分子特征

代谢物在2型糖尿病（T2D）及其心血管并发症的生物过程中起关键作用。然而，它们对这些疾病的贡献尚未得到全面评估，尤其是在东亚血统中。本研究使用高覆盖度的广泛靶向和非靶向代谢技术分析了总共1912种代谢物，采用多变量logistic回归模型和正交偏最小二乘判别分析鉴定T2D相关代谢物。在浙江代谢综合征队列（ZMSC）中进行了全代谢组全基因组关联研究（GWAS），然后进行了双样本孟德尔随机化（MR）分析，以探索潜在的因果代谢物-T2D关联。为增强跨血统的泛化性，在欧洲血统中进行了MR分析，以探讨血清代谢物对T2D及其心血管并发症的潜在因果影响。还整合多组学证据以探索潜在的分子机制。结果确定了6种与中国T2D相关的代谢物，并得到了代谢组分析和遗传知情因果推断的支持。其中包括两个潜在的保护因素（PC[O-16：0/0：0]及其衍生物LPC[O-16：0]）和四个潜在危险因素（[R]-2-羟基丁酸、2-甲基乳酸、依普利酮和萝芙素）。跨祖先代谢组范围分析进一步揭示了四种共享的潜在致病代谢物，突出了肌酸对T2D的潜在保护作用。通过多组学整合揭示了由CPS1附近的遗传变异（编码尿素循环相关线粒体酶）初始化的潜在调节途径，该变异影响血清肌酸水平并调节T2D。MR分析进一步表明，9种尿素循环相关代谢物显着影响T2D的心血管并发症。本研究为T2D的代谢基础及其心血管并发症提供了新的见解，强调了尿素循环相关代谢物在疾病风险和进展中的作用。这些发现促进了对T2D病因中循环代谢物的理解，为未来的研究提供了潜在的生物标志物和治疗靶点。

该研究于2025年4月发表在《Cardiovascular Diabetology》，IF：10.6。

技术路线

主要研究结果

1.浙江代谢综合征队列（ZMSC）代谢组测定

在ZMSC中，通过基于UPLC-MS的代谢组学分析方法共鉴定了1912种血清代谢物（表S1）。广泛靶向分析和非靶向代谢组分别鉴定和量化了1601种（83.73%）和311种（16.27%）代谢物。这些代谢物涵盖23个主要类别，其中氨基酸及其衍生物（27.67%）含量最高。

表S1:本研究中使用的代谢物数据集概述

2. ZMSC中代谢物与T2D的关联

多项式logistic回归确定了225种与T2D显著相关的代谢物，在调整了包括年龄、性别、BMI、高血压状况、吸烟和饮酒量在内的潜在混杂因素后（图1A）。在这些显著的代谢物中，80种代谢物是潜在的保护因素，而145种代谢物是潜在的危险因素。按性别进行的亚组分析显示，369名男性参与者中有22种差异代谢物，811名女性参与者中有168种差异代谢物。此外，为提高T2D的确定可靠性，纳入来自医疗保险系统的药品购买记录，根据2015年至少两次购买T2D药物或FG≥7.0 mmol/L定义为T2D，进行敏感性分析。基于医保险购药记录（171例糖尿病患者、127例糖尿病前期患者和885例正常血糖）的敏感性分析确定了基础分析中94.44% T2D相关代谢物，表明分析可靠性。根据OPLS-DA评分图（图1B），基于PSM的T2D病例和对照可以成功区分。通过十倍交叉验证计算，R2为0.89，Q2为0.67，表明模型的稳健性。此外，OPLS-DA模型识别了428种VIP评分>1的代谢物（图1A）。

图1： ZMSC中的代谢组学数据分析。

3.代谢途径分析

进行功能富集分析和通路分析，以确定可能与T2D相关的潜在代谢途径。只有符合多变量逻辑斯谛回归中FDR校正P<0.05的统计显著性阈值且VIP评分>1的代谢物才被纳入通路分析（164种代谢物）。发现T2D相关代谢物在涉及“瓦博格效应”、“氨基酸糖代谢”、“天冬氨酸代谢”和“脂肪酸生物合成”的途径中显著富集，P值分别为0.0152、0.0299、0.0363和0.0363（图1B）。

4. 遗传信息推断支持东亚代谢物-T2D关联

GWAS用于识别代谢相关遗传变异为IVs。曼哈顿图显示GWAS结果聚集了所有1912种代谢物。代谢物的遗传膨胀因子范围为0.946至1.004，表明几乎没有种群分层的证据。为提供遗传调节的证据，进行了代谢组范围的双样本磁共振分析，以评估血清代谢物和T2D之间的潜在因果关系。基于ZMSC队列的GWAS汇总统计数据和DIAGRAM联盟（EAS）的公开数据，代谢组范围的磁共振分析确定了89种与T2D显著相关的代谢物（PIVW<0.05和PMR-RAPS<0.05）。89种遗传预测的血清代谢物对T2D风险的磁共振估计产生影响。

为估计潜在的反向因果关系，对代谢物与T2D关联进行了反向MR分析。结果显示，75种代谢物可能受到T2D的影响，89种代谢物与T2D关联中只有3种受到干扰。这些发现表明反向因果关系的证据很少。在敏感性分析中，不包括来自ZMSC的130名T2D参与者，全代谢组GWAS和MR分析确定98种T2D相关代谢物，93.26%（83种代谢物）的原始发现被复制。这些结果进一步支持了发现的稳健性和可靠性。Venn图（图2A）总结了多项式logistic回归、OPLS-DA和双样本MR分析的结果，使用结合观察分析（PFDR<0.05，VIP>1）和代谢组范围MR分析（PIVW<0.05，PMR-RAPS<0.05，PPleitroy>0.05和PHeterogeneity>0.05）的标准，确定了13种潜在的因果代谢物-T2D关联。其中，6种代谢物在观察性研究和遗传学分析中表现出一致的效果（图2B，C）。值得注意的是PC（O-16:0/0:0）及其衍生物LPC（O-16:0）是T2D的潜在保护因素，（R）-2-羟基丁酸、2-甲基乳酸、依普利酮和萝芙素是T2D的潜在危险因素。

图2：血清代谢产物与T2D的潜在因果关系

5. 血清代谢物与T2D的非线性关联

为进一步探索血清代谢物与T2D之间的潜在非线性关系，在ZMSC中采用了RCS分析。分析侧重于六个代谢物与T2D的关联，这些关联得到了观察和遗传学证据的一致支持。调整了几个可能影响代谢物的混杂因素，包括年龄、性别、BMI、吸烟和饮酒。使用最小AIC来选择最佳的RCS节点数量，每个代谢物的最终模型包含三到四个节点。结果表明PC（O-16:0/0:0）、LPC（O-16:0）、2-甲基乳酸、2-羟基丁酸和萝芙素与T2D的相关性主要呈线性趋势，没有显著的非线性效应或拐点证据（图3）。相比之下，依普利酮和T2D之间的相关性显示出“J”形（P非线性=0.02）。

图3：血清代谢物与T2D的非线性关联

6. 东亚人的代谢物和血糖特征

进行全面的MR调查以探索代谢物在T2D和EAS祖先血糖特征中的潜在因果作用。图4显示了12种与T2D显著相关的代谢物，以及东亚祖先中四种血糖特征（2hGlu、FG、FI和HbA1c）中的至少一种。在12种可验证的代谢物与T2D的关联中，9对在血糖特征中得到了进一步验证。值得注意的是，遗传易感性与较低的HbA1c水平和T2D风险相关。天麻素是T2D的潜在危险因素，与FG和2hGlu呈正相关。有机磷农药甲基异氟磷（IFP）也是T2D的危险因素，与FG和HbA1c呈正相关。L-赖氨酸和FAHFA（6:0/18:3）是必需氨基酸和脂肪酸，是T2D的保护因素，对HbA1c具有保护作用。脱氧胆酸是肠道微生物群产生的代谢产物，与T2D风险增加和HbA1c水平升高呈正相关。此外，观察到三种氨基酸衍生物（Tyr-Val-Ser-Arg、Ile-Glu-Leu-Lys和Asp-Arg-Gln-Arg）水平升高与T2D风险增加有关，Tyr-Val-Ser-Arg和Ile-Glu-Leu-Lys进一步证实了它们与血糖特征的相关性。

图4：血清代谢物与T2D和四个血糖性状的孟德尔随机化关联

7. 欧洲人的T2D/血糖性状相关代谢物

通过利用来自CLSA/METSIM和DIAGRAM的GWA汇总数据，代谢组范围的MR分析分别确定了54和83种具有名义意义的T2D代谢物（PIVW<0.05，图S4-S5）。FDR校正后，分别使用CLSA和METSIM，发现5种和1种血清代谢物与T2D显着相关。图S6显示了与T2D显着相关的代谢物以及EUR祖先中四个升糖性状中的至少一个。基于CLSA的MR分析发现，12对可验证的代谢物-T2D关联中有4对在其他升糖性状中产生了进一步的证据（图S6A）。基于METSIM的MR分析发现，9对代谢物-T2D关联在其他血糖性状中得到进一步验证，4对代谢物-T2D具有相同作用方向的支持证据（图S6B）。此外，8对代谢物-T2D/血糖性状能够在CLSA和METSIM中相互验证（图S7）。

图S4：火山图显示了 CLSA 中血浆代谢组范围MR结果

图S5：METSIM 中血浆代谢组全范围孟德尔随机化（MR）结果的火山图

图S6：欧洲人群中血浆代谢物与 2 型糖尿病及四种血糖特征的孟德尔随机化关联

图S7：2个欧洲血统人群中验证代谢物与T2D及四种血糖特征的孟德尔随机化关联

7. 跨祖分析探测与T2D/血糖性状相关的代谢物

值得注意的是，发现4对关联的代谢物-性状显示出跨祖先一致性（图5）。亚精胺和肌酸是T2D的潜在保护因素。具体而言，亚精胺与EAS祖先的2hGlu水平和EUR祖先的T2D风险呈负相关。较高水平的肌酸与EAS祖先较低的HbA1c水平和T2D风险相关，与EUR祖先较低的FI水平相关。同时，N-乙酰-L-丙氨酸和硫酸雌酮是血糖性状的潜在危险因素。N-乙酰-L-丙氨酸与EAS祖先的FI水平和EUR祖先的HbA1c水平呈正相关。较高水平的雌酮3-硫酸盐与较高水平的HbA1c在欧元血统和FG在EAS血统相关联。

图5：2个祖先代谢物与T2D和四种血糖特征的孟德尔随机化关联

8. 代谢物与T2D关联的多组学证据

通过整合基因-转录-蛋白-代谢物-表型轴上的多组学数据，系统地剖析了跨多个生物层的T2D的分子机制。对于跨祖先证据支持的肌酸-T2D关联，整合了额外的组学数据，包括基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学，以探索潜在的机制联系（图6A）。在基因组水平上，发现CPS1上的SNP rs1047891是ZMSC中肌酸的元QTL，并得到CLSA的支持。在转录组学和蛋白质组学水平，CPS1基因在肝脏中高度表达，并编码线粒体酶，在催化尿素循环的第一步中起关键作用。在代谢组学水平，尿素循环产生的精氨酸参与肌酸合成。在表型组学水平上，发现，在EUR血统中，遗传预测的肌酸与FI和HbA1c呈负相关，在EAS血统中与T2D呈负相关。从机制上讲，肌酸可以通过两个关键途径对葡萄糖代谢产生有益影响：（1）增强β细胞胰岛素分泌；（2）通过GLUT-4改善葡萄糖摄取。综上所述，结果为肌酸的分子调控提供了一个假设的遗传-蛋白-代谢-表型证据链。

还整合多维证据来探索环境暴露IFP影响T2D的潜在分子途径（图6B）。IFP可以在肝微粒体中降解为IFPO、ICP和ICPO。在基因组水平上，发现UGT1A1基因上的SNP rs28946889是ZMSC中血清异甲硫磷的元QTL（效应等位基因：T，beta=−0.24，P=2.13×10-8）。在转录组学和蛋白质组学水平，UGT1A1基因在肝脏中高度表达，并编码一种药物代谢酶，该酶在代谢和解毒中起着关键作用（GTEx v10，效应等位基因：T，正常效应大小=0.23，P=8.30×10−6）。在表型组学水平，发现遗传预测的IFP是中国人T2D的危险因素。在机制上，IFP-T2D关联涉及IFP诱导的胰岛素抵抗。总的来说，这些发现支持了IFP分子调控的一个假设的遗传-表达-蛋白-代谢-表型证据链。

图6：代谢物与T2D关联的潜在分子机制链

结论

这项研究对T2D的潜在病因进行了全面的代谢组调查，为其代谢基础和相关心血管并发症提供了新的见解。通过综合多组学方法确定了与心脏代谢性疾病相关的关键代谢物和分子途径。这些发现不仅增强了对心脏代谢性疾病复杂代谢网络的理解，还为早期疾病检测和潜在治疗靶点提供了有价值的生物标志物。

参考文献

Cheng C, Liu Y, Sun L, et al. Integrative metabolomics and genomics reveal molecular signatures for type 2 diabetes and its cardiovascular complications. Cardiovasc Diabetol. 2025;24(1):166. Published 2025 Apr 16. doi:10.1186/s12933-025-02718-4. IF: 10.6 Q1