組學技術在原發性高血壓中的應用進展

歐陽輝，付海艷，杜映榮

原發性高血壓（essential hypertension，EH）是遺傳、環境及多種危險因素相互作用所致的全身性疾病，其可引起心臟、腦、腎臟、眼等多器官損傷，是心腦血管疾病的主要危險因素，占高血壓總患病人數的95%以上，絕大多數病因不明［1］。根據中國高血壓調查數據，2012—2015年我國18歲及以上居民高血壓患病粗率為27.9%（加權患病率為23.2%），其患病率總體呈升高趨勢，目前我國高血壓患病人數高達2.45億［2］。盡管我國高血壓患者的知曉率和治療率較前有所提高，但由于機體的耐藥性、患者依從性不佳及個體差異等多種原因，其總體控制率僅為16.8%［3］。因此，急需一種新的方法更早、更準確地診斷或預測EH。

自1986年美國科學家Thomas Roderick首次提出基因組學后，隨著系統生物學發展，1994—1997年科學家們又提出了蛋白質組學和轉錄組學，此后逐漸產生了包括基因組學、轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學在內的組學技術［4］，從DNA到RNA再到蛋白質和代謝物等多個層面由表入里地探索生命的活動規律及疾病進程，目前組學技術已廣泛用于動植物學和醫學。因此，利用組學技術可研究影響血壓的遺傳因素和環境因素，進一步探索EH未知的發病機制和病因；此外，組學技術還可以提供更好的診斷方法，甚至預測EH的發生發展、病情嚴重程度及相關并發癥，指導個性化治療方法的制定。本文就基因組學、轉錄組學、蛋白質組學、代謝組學在EH中的應用展開綜述，旨在為高血壓的早診早治及精準治療提供新的思路。

1 基因組學在EH中的應用

基因組學指對一個生物體的全部基因進行研究及量化的方法，目前主要測序技術包括全基因組測序（whole genome sequencing，WGS）、全外顯子測序（whole exome sequencing，WES）及染色體微陣列分析（chromosome microarray analysis，CMA），前兩者分別涵蓋測序基因組的所有區域及外顯子區域，主要用于獲取基因的序列信息及數量，以識別其變化情況；后者主要用于測量基因拷貝數的變異［5］。基因組學研究方法先后經歷了候選基因關聯分析及全基因組關聯分析（genome-wide association study，GWAS）。目前，基因組學在EH中的應用主要體現在以下幾個方面。

1.1 早期風險預測 PADMANABHAN等［6］通過分析大鼠和人類血壓調節中的遺傳因素，發現基因中的非編碼DNA是影響血壓的主要遺傳因素；此外，有研究者通過收集2 638例青少年的唾液樣本，利用候選基因方法檢測發現，LSS、HSD3B1、PRKG1、CYP11A1、CYP11B2和NEDD4L基因變異與高血壓的發病相關［7］；DODOO等［8］研究發現了43個與EH相關的遺傳變異基因。此外，受體活性修飾蛋白1（receptoractivity-modifying protein，RAMP1）基因突變也可以增加高血壓的發病風險［9］。因此，基因組學技術可將與EH發病相關的遺傳因素鎖定在某些基因的非編碼區，而早期監測上述基因的變化可以預測EH的發生。

1.2 個體化治療 EVANGELOU等［10］對100多萬擁有遺傳和表型數據的人進行GWAS，發現了535個與血壓相關的基因，且部分血壓相關基因與降壓藥作用靶點具有相關性，通過基因檢測結果可預測降壓藥的治療效果。在EH藥物治療方面，有研究利用基因組學識別降壓藥對機體起關鍵作用的治療靶點，如利用基因組學識別EH患者對氫氯噻嗪治療反應的生物標志物，并發現SPTLC3基因是氫氯噻嗪發揮降壓作用的潛在決定因素［11］。類似的，有研究者選取服用賴諾普利進行降壓治療的EH患者，利用基因組學技術對賴諾普利治療有效的患者進行腎素-血管緊張素轉換酶（angiotensin-converting enzyme，ACE）通路候選基因檢測及GWAS，結果發現，AGT、REN、ACE2基因的單核苷酸變異（single nucleotide variants，SNVs）與賴諾普利的降壓效果有關［12］。上述研究表明，對EH高危人群及EH初治患者進行基因組學檢測，以實現早期風險預測及預見機體對藥物的反應，進而提高藥物的治療效果。

2 轉錄組學在EH中的應用

轉錄組學指研究特定細胞或組織在特定階段或特定生理狀況下轉錄出來的所有RNA，并對其差異RNA進行量化［13］。與分析DNA結構的基因組學相比，轉錄組學研究的RNA表達變化能更好地反映高血壓的生物學變化，可以從生理層面對EH進行診斷和預測。目前，轉錄組學采用的主要測序技術是微陣列和RNA測序［4］，其中RNA測序在測序通量和速度方面更有優勢，已成為轉錄組學的主要測序技術［14］。轉錄組學在EH中的應用主要體現在以下幾個方面。

2.1 早期診斷 通過分析基因表達綜合（gene expression omnibus，GEO）數據庫中的數據發現，骨髓細胞瘤病毒癌基因同源物（myelocytomatosis viral oncogene homolog，MYC）、HIST1H2BO可能與EH的發病有關［15］。ZELLER等［16］研究指出，RNA表達變化能更好地反映高血壓的生物學變化，同時該研究還發現，有8個RNA（CRIP1、MYADM、TIPARP、TSC22D3、CEBPA、F12、LMNA和TPPP3）共同決定了高達13%〔95%CI（8.7，16.2）%〕的血壓變異，故可作為早期診斷EH的生物標志物；此外，miRNA-29家族（miRNA-29a、miRNA-29b、miRNA-29c）、miRNA-510、hsa-miRNA-637、hsa-circ-0037909、hsa-circ-0126991、miRNA-10a-5p均可作為診斷EH的潛在生物標志物［17-20］。此外，長鏈非編碼RNA（long non-coding RNA，lncRNA）NONRATT011842也被發現具有調節高血壓患者血管平滑肌細胞的功能，可作為診斷和預測高血壓的生物標志物［21］。

2.2 發現新的治療靶點 國內有學者通過線性微陣列模型鑒定出EH大鼠和正常血壓大鼠的差異表達基因及差異表達miRNAs，發現Dbp、Crot和Mrpl4基因可能是EH的潛在治療靶點，而miRNAs（rno-miRNA-126a-5p、rno-miRNA-31a）或小分子藥物（肉毒桿菌毒素、Gly-His-Lys和鬼臼毒素）可阻斷上述基因的表達，從而發揮抗高血壓作用［22］。除上述基因外，轉錄組學還發現調控miR-1283/ATF4軸［23］、靶向miR-455-3p和miR-140-3p［24］亦有可能成為高血壓的潛在治療靶點。部分miRNA受到lncRNA的調控，而上游lncRNA GAS5也參與了血壓的調節［25］。有研究報道，CRIP1基因可通過調控免疫系統而調節血壓，而通過靶向CRIP1有望成為治療高血壓的治療策略［16］。

2.3 揭示藥物調控血壓的作用機制 利用轉錄組學可以從基因層面闡明多種降壓藥和降壓方法的作用機制，如常用的中藥芪參益氣滴丸是通過上調SIK1基因表達、增加Na+排泄、抑制ADRA1D基因表達而松弛血管平滑肌，進而有效降低鹽敏感型高血壓大鼠的血壓，減輕腎臟損傷［26］。針灸作為中醫降壓手段之一，其降壓作用也可通過轉錄組學進行解釋。LI等［27］構建了EH大鼠模型，對其進行針灸治療并采用轉錄組學分析其基因表達，結果發現，針灸治療可能通過逆轉差異表達基因而參與高血壓相關通路（包括氧化應激、血管內皮功能、炎癥反應），進而降低血壓。除中藥外，臨床常用的口服降壓藥也可以利用轉錄組學深入研究其血壓調控機制。一項針對氫氯噻嗪治療高血壓的多中心研究發現，VASP基因可能參與氫氯噻嗪的降壓機制，故可將其作為預測氫氯噻嗪利尿效果的潛在生物標志物［28］。

2.4 監測靶器官損傷 靶器官損傷是高血壓患者的常見并發癥，其中心肌梗死是急危并發癥之一。通過轉錄組學研究發現，miR-7、miR-548可作為預測EH并發急性心肌梗死風險的潛在生物標志物［15］，當miR-7、miR-548異常時，臨床醫生需要警惕心肌梗死的發生。當EH患者miRNA let-7水平升高時，動脈粥樣硬化發病率也相應升高［29］。盡管轉錄組學與基因組學相比，存在RNA不穩定、實時定量反轉錄PCR技術復雜且價格昂貴等劣勢，但上述研究成果證明轉錄組學在EH的早期診斷、治療及預測靶器官損傷方面具有較好的應用前景。

3 蛋白質組學在EH中的應用

蛋白質組學是對一個細胞、組織、器官或機體內基因表達的全部蛋白質及其活動規律進行研究［4］。蛋白質組位于基因組和轉錄組的下游，對其進行分析可以識別出DNA和RNA翻譯過程中因翻譯后修飾、機體生物系統活性及功能改變而導致的差異蛋白質，從而發現蛋白質與疾病之間的聯系。目前，蛋白質組學主要采用雙向凝膠電泳（twodimensional gel electrophoresis，2-DE）和熒光差異雙向凝膠電泳（two-dimensional difference gel electrophoresis，2D-DIGE）提取和分離蛋白質，使用質譜（mass spectrum，MS）及其衍生的液相色譜串聯質譜（liquid chromatography-tandem mass spectrometry，LC-MS/MS）、表面增強激光解析電離飛行時間質譜（surface-enhanced laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry，SELDI-TOF-MS）及雙向凝膠電泳-質譜（two-dimensional gel electrophoresis-mass spectrometry，2DEMS）等技術鑒定蛋白質和識別生物標志物［30］。目前，蛋白質組學在EH中的應用主要體現在以下幾個方面。

3.1 識別相關蛋白質 利用質譜分析法對InGenious Hypercare隊列中的118例EH患者和85例健康對照者的血液樣本進行蛋白質組學分析，結果發現27個與高血壓發生相關的蛋白質決定因子［31］。除了分析血液樣本，尿液也可以作為蛋白質組學的檢測樣本。有研究者利用LC-MS/MS檢測鹽敏感型高血壓患者和耐鹽型高血壓患者在鹽負荷試驗期間的尿液樣本，結果發現，尿液中氨肽酶P2、尿激酶型纖溶酶原激活物、表皮生長因子是鹽敏感型高血壓發生的關鍵因子［32］。

3.2 預測并發癥 國內有研究者利用串聯質譜標簽（tandem mass tag，TMT）標記的定量蛋白質組學技術研究EH與射血分數保留的心力衰竭（heart failure with preserved ejection fraction，HFpEF）之間的潛在生物學聯系，結果發現，有7個可以作為兩者共同生物標志物和治療靶點的差異表達蛋白質，對該差異表達蛋白質進行監測可預測HFpEF的發生［33］。腎臟作為高血壓的常見損傷靶器官，其損傷程度緩慢且難以發現，目前尚無無創手段可以檢測早期腎損傷的結構和功能改變。蛋白質組學技術出現后，HATZIIOANOU等［34］研究發現，細胞內氯離子通道4（chloride intracellular channel 4，CLIC4）蛋白在高血壓大鼠的腎小管中過度表達，推測其可作為EH相關腎損傷的早期潛在生物標志物。蛋白質組學技術的出現在一定程度上填補了高血壓早期腎損傷檢測手段的空白。

3.3 個體化治療 與DNA、RNA相似，蛋白質組學可以為機體找出預測降壓反應的潛在靶點，為EH的個體化治療提供可借鑒的方法。如MARTIN-LORENZO等［35］運用LC-MS/MS對29例頑固型高血壓患者的尿液樣本進行蛋白質鑒定和蛋白質組學分析，并在蛋白質水平上預測機體對螺內酯的反應，結果發現，觸珠蛋白（haptoglobin，HP）和觸珠蛋白相關蛋白（haptoglobin-related protein，HPR）是預測患者對螺內酯治療反應的潛在生物標志物。另有研究對伴有蛋白尿的EH患者和單純EH患者進行差異蛋白質分析，結果發現，Kalirin（R2=0.59，P＜0.001）和CHD7（R2=0.52，P＜0.001）兩種蛋白質的表達均與血管內皮功能呈正相關，故可將其作為監測腎素-血管緊張素系統（renin-angiotensin system，RAS）抑制程度的臨床指標，并幫助臨床醫生制定個體化治療方案［36］。除此之外，組織蛋白酶G（cathepsin G，CTSG）、轉化生長因子β1（transforming growth factor beta-1，TGF-β1）、透明質酸酶1（hyaluronidase-1，HYAL1）、激肽原1（kininogen-1，KNG1）4種蛋白質也被作為EH發生的關鍵蛋白質，調控其表達可能成為EH的潛在治療靶點［37］。

4 代謝組學在EH中的應用

代謝組學主要是通過分析生物體受環境刺激或機體內環境改變（如病理改變或基因變異）等因素引起的體內代謝物變化來研究其生理功能的一門科學［38］，也是運用現代實驗室方法對生物體內組織、細胞、體液中小分子代謝物（如糖、脂類、氨基酸、核酸等有機化合物）［4］進行定量及定性檢測的科學技術。代謝組學研究包括靶向和非靶向（整體）兩種方法，其中靶向代謝組學通常只對某種或某一類代謝物進行檢測，適用于代謝物已經確定的情況；而非靶向代謝組學是探索性的，目的是盡可能檢測出樣品中更多的差異性小分子代謝物［4］。目前，代謝組學常用的實驗室方法包括核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）、氣相色譜-質譜聯用法（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）、液相色譜-質譜聯用法（liquid chromatography- mass spectrometry，LC-MS）等［39］，其中LC-MS因靈敏度高和檢測范圍廣而成為非靶向代謝組學的首選方法［40］。代謝組可反映機體的代謝狀態，但容易受到環境因素的影響，故特別適用于評估機體當前狀態和外界環境因素的影響。目前，代謝組學在EH中的應用主要體現在以下幾個方面。

4.1 識別差異代謝物 EH患者存在糖、氨基酸、脂肪酸及微生物代謝異常情況［41］，故推測這些小分子物質可能通過某些代謝途徑而影響血壓。BARANWAL等［42］分別構建高鹽飲食和血管緊張素Ⅱ誘導的高血壓小鼠模型，并對其及正常血壓小鼠血清、尿液進行整體代謝組學分析，結果發現，高血壓小鼠血清中有14種代謝物明顯改變、尿液中有6種代謝物明顯改變。TIAN等［43］使用超高效液相色譜串聯四極桿靜電場軌道阱質譜（ultra-high performance liquid chromatography coupled to Q Exactive hybrid quadrupole-Orbitrap mass spectrometry，UPLC-Q-exactive-MS）分析自發性高血壓大鼠和正常對照大鼠血清樣本，共鑒定出23種差異代謝物。而陳帥等［44］研究發現了包括L-組氨酸、L-精氨酸在內的13種差異代謝物。代謝組學技術可以識別分子量較小的分子，相對于既往的組學技術具有靈敏度高的特點。

4.2 尋找潛在的生物學靶點 AMETA等［45］利用NMR對64例EH患者和59例健康對照者的血清樣本進行分析，結果發現，EH患者精氨酸、丙氨酸、丙酮酸、甲硫氨酸、腺嘌呤、尿嘧啶水平明顯改變，提示上述差異代謝物可作為區分EH和健康對照者的特征代謝物，并可作為EH的潛在生物標志物。與上述研究結論類似，有研究利用超高效液相色譜-四極桿飛行時間質譜（ultra performance liquid chromatography coupled with quadrupole time-of-flight mass spectrometry，UPLC-QTOF/MS）技術對75例EH患者和75例健康對照者的尿液代謝物進行分析，結果發現10種可作為診斷或篩查EH的差異代謝物，其主要涉及的代謝途徑有氨基酸代謝、脂肪酸代謝、氧化應激及類固醇激素生物合成途徑，故推測上述4種代謝途徑異常可能是導致EH發病的重要因素［46］。除此之外，有學者發現十六烷二酸酯與人類血壓及死亡率升高有關，并揭示其作用機制的相關分子途徑：十六烷二酸酯與脂肪ω氧化途徑中ADH1A、ADH1B、CYP4編碼酶的水平相關，高水平的十六烷二酸酯可干擾乙醇對血壓的影響［47］。為了更好地了解高血壓患者的病理生理學改變，LIN等［48］在烏普薩拉老年人群中開展了一項前瞻性隊列研究，該研究使用氣譜和液譜結合質譜的方法分析循環血漿代謝物及其與血壓的相關性，隨訪5年，結果顯示，神經酰胺（β=1.06）、三酰甘油（β=1.00）、總甘油酯（β=0.95）、油酸（β=0.92）與舒張壓呈正相關，而膽固醇脂與舒張壓呈負相關（β=-1.06）。上述研究提示，代謝組學可作為揭示高血壓病理生理途徑的一個有效手段。

5 綜合組學在EH中的應用

EH是一種受遺傳、環境等多個因素影響的復雜疾病，僅憑一種組學技術研究其發病機制遠遠不夠，而不同組學技術之間存在密切聯系，涉及從DNA到RNA再到蛋白質和代謝物等多個層面的信息，故將各組學技術進行綜合應用是系統研究EH的基礎。MARRACHELLI等［49］采用基因組學聯合代謝組學研究心臟代謝危險因素。COLAK等［50］采用轉錄組學聯合蛋白質組學分析擴張型心肌病的整體變化，并發現了與心功能相關的基因、蛋白質和通路。綜合組學可以克服單個組學方法的局限，在揭示EH的病理生理、發病機制及尋找特異性生物標志物等方面潛力巨大。

6 小結

綜上所述，組學技術可以從分子層面闡明EH的發生發展機制，為EH的早診早治、風險評估、精準治療及靶器官損傷預測提供新的思路，但也存在許多挑戰。首先，組學技術在EH患者中發現的大量生物標志物在臨床中應用較少；其次，沒有單一組學技術可以解釋EH的整個病理生理過程，需將組學技術進行綜合，但綜合組學數據集成較為復雜；第三，檢測技術價格昂貴，臨床大規模應用受限。相信隨著組學技術的發展和醫療水平的提高，未來上述問題有望得到解決。

作者貢獻：歐陽輝、付海艷、杜映榮進行文章的構思與設計、文章的可行性分析、論文修訂；歐陽輝進行文獻/資料收集與整理，撰寫論文；付海艷、杜映榮負責文章的質量控制及審校；杜映榮對文章整體負責、監督管理。

本文無利益沖突。