《Nature Genetics》代谢蛋白“去孤儿化”与基因代谢物关联预测工具

洛克菲勒大学、范德比尔特大学医学中心和范德比尔特大学的一个多学科研究小组开发了一个发现平台，可以探测参与新陈代谢的基因的功能。研究人员使用他们称为GeneMAP(基因代谢物关联预测)的新平台来识别线粒体胆碱运输所必需的基因。

“我们试图深入了解一个基本问题:基因变异如何决定我们的‘化学个性’——使我们在生物化学上独一无二的遗传差异?”范德比尔特大学医学中心遗传医学部医学副教授Eric Gamazon博士说。Gamazon是该团队在《Nature Genetics》上发表的报告的资深作者和共同通讯作者，该报告描述了GeneMap的开发以及该平台的初始应用。

研究人员表示，“我们开发了GeneMAP平台，用于发现代谢基因功能，利用基因表达的遗传模型，量化基因介导的代谢物遗传控制。”

作者解释说，代谢反应在营养吸收、能量产生、废物处理和细胞构建块(包括蛋白质、脂质和核酸)的合成中起着关键作用。“考虑到这些关键过程，大约20%的蛋白质编码基因致力于维持细胞内的化学景观，包括小分子转运蛋白和酶。”虽然几十年的研究已经揭示了许多这些基因的功能，但许多代谢成分的确切分子底物仍然难以捉摸。”

代谢功能异常与包括神经退行性疾病和癌症在内的一系列疾病有关。但是，正如Gamazon解释的那样，“尽管经过了几十年的研究，许多代谢基因仍然缺乏已知的分子底物。这一挑战部分是由于蛋白质的巨大结构和功能多样性。”作者继续说，“我们理解上的这些差距部分来自于不同的组织特异性表达模式、功能冗余和这些元素的代谢混乱，使定义它们精确生理作用的努力复杂化。”

研究人员开发了GeneMap平台来发现孤儿转运体和酶的功能，这些酶是具有未知底物的蛋白质。他们使用了两个独立的大规模人类代谢组全基因组/转录组关联研究(GWAS)的数据集，并通过计算机验证证明了GeneMAP可以识别已知的基因-代谢物关联并发现新的关联。他们解释说:“为了确定基因与代谢物的关系，我们在加拿大衰老纵向研究(CLSA)和男性代谢综合征(METSIM)研究中对人类代谢组进行了两项独立的基因组研究，进行了转录组全关联研究(TWAS)。”此外，他们还表明，GeneMAP衍生的代谢网络可用于推断未表征代谢物的生化特性。

为了通过实验验证新的基因代谢物关联，研究人员选择了他们的最高发现(slc25a48 -胆碱)并进行了体外生化研究。SLC25A48是一种线粒体转运蛋白，没有明确的转运底物。胆碱是多种代谢反应和细胞膜脂质合成的必需营养素。

研究人员表明，SLC25A48是血浆胆碱水平的遗传决定因素。“考虑到SLC25A48是SLC25A家族的一员，该家族包含线粒体小分子转运蛋白，我们假设SLC25A48可能调节线粒体中胆碱或其下游代谢物的可用性，”他们评论道。研究人员随后进行了放射性线粒体胆碱摄取测定和同位素示踪实验，以证明SLC25A48的缺失会损害线粒体胆碱运输和胆碱下游代谢物甜菜碱的合成。“总之，我们的研究结果表明，SLC25A48对于线粒体胆碱的输入是必需的，并且是哺乳动物细胞中从头合成甜菜碱的关键决定因素。”

他们还研究了SLC25A48和胆碱之间的关系对人类医学现象(电子健康记录中列出的症状、特征和疾病)的影响，使用了大型生物银行资源，英国生物银行和BioVU，范德比尔特大学的DNA生物存储库与广泛的临床数据相关联。这些调查确定了八种疾病关联。

Gamazon说:“这项研究的令人兴奋之处在于它的跨学科性——基因组学和新陈代谢的结合，以确定长期寻找的线粒体胆碱转运蛋白。我们认为，考虑到在独立数据集中进行的广泛的计算机验证研究和原理验证实验研究，我们的方法可以帮助识别各种酶和转运蛋白的底物，并使这些代谢蛋白‘去孤儿化’。”

在他们的论文中，作者总结道:“我们开发了GeneMAP，一个预测代谢基因功能的平台，并证明了它能够提供准确和可复制的结果,因为许多代谢酶和转运蛋白仍然没有确定生理底物，GeneMAP为这些基因的去孤儿化提供了一个独特的平台。这将为理解疾病的潜在基础以及治疗方法的发展开辟一条途径。”

Metabolic gene function discovery platform GeneMAP identifies SLC25A48 as necessary for mitochondrial choline import