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作为营养物质的重要来源，乳制品已成为日常生活中一种常见食品。研究报道，人乳因含有丰富的营养成分，对人体发育具有重要作用，一直是乳制品中的金标准。随着人们对健康和营养需求的日益增长，当使用替代奶源配置婴儿配方奶粉时，必须努力使其成分与人乳相近。因此，探索不同乳制品的成分组成，筛选出具有与人乳更相似的功能成分极为重要。
今天为大家介绍一篇发表在《Food Chemistry》上不同动物奶营养成分评估，选择与人乳具备更相似功能的奶制品类研究性论文。研究者来自沈阳农业大学动物科学与医学学院的王泽英老师团队。中科新生命为本研究提供了4D蛋白质组、非靶代谢组、非靶脂质组的检测和数据分析工作，接下来看下这篇研究如何开展的吧。
标题：Multi-omics analysis of five species of milk and specific composition links within each species
发表时间：2024年6月
杂志：Food Chemistry
IF：8.5
研究目的
本文旨在借助蛋白质组、非靶代谢组、非靶脂质组对人乳（CHP）、荷斯坦奶牛乳（HST）、猪乳（YXP）、牦牛乳（QHY）、水牛乳（GXB）样品中蛋白质、代谢物和脂质进行鉴定和比较。
主要内容
① 猪乳含有丰富的N-乙酰神经氨酸（Neu5Ac）和特定极性脂质。与改变肠道微生物群，降低婴儿肥胖风险呈正相关；
② 牦牛乳中含有丰富的肌酸和脂蛋白脂肪酶（LPL）。结合先前研究，肌酸具有抗炎、改善神经发育障碍、增强全身能量代谢的作用。同时，肌酸与LPL协同作用可预防肥胖；
③ 水牛奶中L-异亮氨酸（L-isoleucine）、棘囊酸（echinocystic acid）、碱性磷酸酶（alkaline phosphatase）、组织非特异性同工酶（ALPL）的丰度更高。结合先前研究，该类物质在调节肠道微生物的多样性和组成，促进β－防御素的分泌和促进脂肪酸合成增强免疫力方面发挥重要作用，是胎儿发育的重要因素；
④ 荷斯坦奶牛牛乳中亚氨基苯乙烯（iminostilbene），骨桥蛋白（OPN）含量较高。结合先前研究，亚氨基苯乙烯通过抑制心肌组织中促炎因子的表达来增强心功能。骨桥蛋白与许多炎症过程有关，对大脑发育和认知功能产生影响。建议将奶牛中的骨桥蛋白纳入婴儿配方奶粉中。亚氨基苯乙烯和OPN可能协同作用增强抗炎疗效。
技术路线
研究结果
1. 单组学独立分析，通览5种乳制品在蛋白质、代谢物、脂质组成和含量中的差异
1.1 各组学鉴定结果统计
非靶代谢组：为全面检测样本中的小分子化合物，在正离子和负离子模式下，从5种乳制品中共鉴定到1992种代谢物。主要包括脂质和脂质分子（21.08%）、有机酸及其衍生物（18.62%）、杂环有机化合物（14.56%）、苯类化合物（13.91%）等（图1A）。
非靶脂质组：同样在正负离子双模式检测下，5种乳制品共鉴定出2585种脂质。其中，猪乳中磷脂酰乙醇胺（PE）、磷脂酰胆碱（PC）和鞘磷脂（SM）丰度更高；人乳、水牛乳、荷斯坦奶牛牛乳、牦牛乳中甘油三酯（TG）含量更丰富；人乳无显著差异，水牛乳的总脂质分子含量最高，猪乳的总脂质分子含量最低（图1B）。
蛋白质组：韦恩图结果表明5种乳制品中，蛋白质检出数量存在差异。亚细胞定位分析显示，人乳、水牛乳、荷斯坦奶牛乳、猪乳中蛋白质主要分布在细胞外，而牦牛乳中蛋白质主要在细胞内（图1C）。
整体结果表明：在蛋白质、代谢物、脂质层面，5种乳制品在物质组成、部分物质的相对丰度、蛋白质上存在一定差异。
图1 5种乳制品蛋白质、代谢组、脂质组检测结果统计
1.2 5种乳制品在蛋白质、代谢物、脂质层面的差异组成
为进一步剖析哪些成分在5种乳制品间显著差异表达，比较人乳与其它乳制品的区别。对各组学数据分别进行差异比较，发现：
非靶代谢组：PCA结果表明，正离子模式下猪乳与其他四组本之间没有重叠；负离子模式下，人乳与其他四组样本存在明显界限。表明人乳、猪乳与其他乳制品代谢谱存在明显差异。
非靶脂质组：对不同牛奶样品的总脂质谱进行PCA分析，发现与荷斯坦奶牛乳相比，人乳与猪乳的脂质谱组成更相似。
图2 非靶代谢组、非靶脂质组PCA分析
注：非靶代谢组正离子（A）、负离子（B）、脂质组（C）PCA结果图
1.3 筛选目标分子为下游联合分析奠定基础
“面→线→点” 是组学检测中常用的数据挖掘手段。旨在层层递进，逐步锁定与目标表型存在潜在关联的关键分子，为预测分子调控机制、锁定关键分子间的潜在互作关系奠定基础，也为后续实验验证提供候选目标靶点。
本研究也不例外，作者在进行宏观性的数据浏览比较后，结合文献信息和差异分析结果，选择具有关键功能的代谢物、脂质、蛋白质与前20名差异代谢物进行后续分析和组学关联。
分层聚类结果表明，正、负离子模式下，样本可分为三大簇：①猪乳；②荷斯坦奶牛牛乳、水牛乳、牦牛乳；③人乳。该聚类模式与PCA结果一致，暗示在代谢物水平上，组间差异比组内样本差异更明显。同理，利用脂质组数据进行分层聚类显示人乳和猪乳的脂质表达谱具有相似性，荷斯坦奶牛牛乳、水牛乳、牦牛乳的脂质组成更加相似。
图3 非靶代谢组（A）、非靶脂质组（B）分层聚类展示不同乳制品在代谢和脂质层面的差异
为进一步揭示各组学内分子间的潜在关联，利用Pearson计算“代谢物-代谢物”、“脂质-脂质”、“蛋白质-蛋白质”相关性，并按照相关系数绝对值＞0.8为阈值筛选分子绘制网络图。计算网络图中，每个节点（代谢物/脂质/蛋白质）的连通性（连通性越高说明该物质与更多其它物质存在丰度变化上的关联），发现：代谢层面正离子模式下，I-米胺（l-camitine）的连通性最高。负离子下，4,5-二氢-4,5-二氧基-1羟基喹啉-2,7,9-三羧酸（4,5-dihydro-4,5-dioxo-1 hpyrrolo[2,3-f]quinoline-2,7,9-tricarboxylic acid）的连通性最高；脂质层面TG（4:0_6:0_18:3）连通性最高；蛋白质层面白蛋白连通性最高。
图4 各组学关键分子相关性分析
注：A：代谢组正（左），负（右）相关性网络图；B脂质组正（左），负（右）相关性网络图；C：各乳制品中关键蛋白质相关性网络图
为进一步了解不同乳制品间代谢途径的差异，利用差异代谢物KEGG富集分析，发现ABC转运蛋白通路的影响因子最大，差异也最显著。显著富集的代谢途径中，差异代谢物主要为：谷氨酸、L-苏氨酸、DL-丝氨酸、谷氨酰胺、赖氨酸、L-异亮氨酸、D-核糖、L-缬氨酸、鸟氨酸、DL-脯氨酸、精氨酸、DL-苏氨酸、DL-谷氨酸、组氨酸、苯丙氨酸和L-谷氨酰胺。
2. 关联分析：代谢组+脂质组、蛋白质组+代谢组、蛋白质组+脂质组剖析对其它组学影响较大的潜在分子
上述结论均聚焦于单组学数据，分析组学内部分子间的潜在关联。然而在生物研究中，不同组样本间往往存在多个分子层面的差异。因此，结合多组学数据分析5种乳制品的差异，不仅可以整体揭示“蛋白质-代谢物-脂质”存在哪些关联？还可以锁定某一分子是否与其它组学数据存在显著相关，以确定目标分子（蛋白质or代谢物or脂质）。
为开展组学关联分析，作者使用Pearson相关系数，分别计算“代谢物-脂质”、“蛋白质-代谢物”、“蛋白质-脂质”间的潜在关联。
2.1代谢组+脂质组
筛选相关系数绝对值≥0.9的蛋白质和代谢物绘制网络图，计算节点连通性，发现4-氨基-9-甲氧基补骨脂素、6’-唾液乳糖和4.α-甘露糖在水牛乳中连通性更高。木楝胺在荷斯坦奶牛乳制品中表现出较高连通性。脂质分子TG(4:0_8:0_10:1)、TG(4:0_10:3_14:2)、Cer (d18:1_16:0)和PG (40:5e)在牦牛乳中具有较高的连通性。
图5 人乳、猪乳、荷斯坦奶牛牛乳、水牛乳、牦牛乳代谢组+脂质组相关性热图（a）、聚类热图（b）、网络图（c）
2.2蛋白质组+代谢组
韦恩图分析发现，在猪乳、荷斯坦奶牛乳、水牛乳、人乳中，蛋白质组和代谢组存在一条共同通路（图6a）。进一步查看通路分类，在猪乳中发现了PI3K-Akt信号通路。荷斯坦奶牛和水牛乳共享叶酸生物合成途径。人乳中发现嘌呤代谢途径。在牦牛乳中， PI3K-Akt信号通路，长寿调节通路和AMPK信号通路是重要的代谢途径（图6b）。
相关性分析表明，牦牛乳中肌酸与LPL之间高度显著正相关。荷斯坦奶牛乳中，亚氨基苯乙烯与OPN呈极显著正相关，与LPO呈极显著负相关。利用相关系数绝对值≥0.5筛选，发现水牛乳中组蛋白H4和溶菌酶有较高连通性。荷斯坦奶牛中乳转铁蛋白存在最高连通性（图6c-e）。
图6 人乳、猪乳、荷斯坦奶牛牛乳、水牛乳、牦牛乳“蛋白质组+代谢组”
KEGG通路韦恩图（a）、KEGG途径条形图（b）、相关性热图（c）、聚类热图（d）、网络图（e）
2.3蛋白质组+脂质组
利用同“代谢组+脂质组”，“蛋白质+代谢组”相同的分析方式。筛选相关系数绝对值≥0.9的代谢物和蛋白质，发现荷斯坦奶牛乳中，主要过敏原β-乳球蛋白表现出高度的连通性。牦牛乳中纤溶酶原激活物抑制剂1 RNA结合蛋白为连通性最高蛋白。
图7 人乳、猪乳、荷斯坦奶牛牛乳、水牛乳、牦牛乳“蛋白质组+脂质组”相关性热图（a）、聚类热图（b）、网络图（c）
总结
本文借助多组学技术，不仅全面揭示5种乳制品的独特成分和功能差异，还明确了不同乳制品中特异高表达的关键物质、物质间潜在的互作关系及主要介导的代谢途径，为乳制品营养功能研究提供了分子基础。其中，猪乳中显著存在N-乙酰神经氨酸（Neu5Ac）和极性脂质，如磷脂酰乙醇胺（PE）、磷脂酰丝氨酸（PS）、磷脂酰胆碱（PC）、磷脂酰肌醇（PI）、鞘磷脂（SM），其功能值得进一步关注。
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