Multi-omics Analysis Using Next-Generation Sequencer and Mass Spectrometer in Longevity Research

Význam tématu

Výzkum dlouhověkosti a zdravé délky života představuje klíčovou výzvu současné biologie a medicíny. S prodlužujícími se populačními mediany věku roste potřeba porozumět molekulárním mechanismům stárnutí i faktorům, které podporují prodlouženou kvalitu života. Modelový organismus Drosophila melanogaster nabízí rychlý cyklus života a široké možnosti genetických manipulací, což umožňuje komplexní multi-omics studium DNA, RNA, proteinů a metabolitů.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem práce bylo integrovat data z genomového sekvencování, transkriptomiky, proteomiky a metabolomiky u klasických a dlouhověkých mutantních kmenů Drosophila melanogaster. Studie využila moderní přístroje pro rychlou a citlivou analýzu heterogenních dat a představila případové použití softwaru Shimadzu Multi-omics Analysis Package pro projektování výsledků na metabolické dráhy.

Použitá metodika a instrumentace

Pro sběr dat byly použity následující technologie:

• Next-Generation Sequencer GridION (Oxford Nanopore) – celogenomové sekvenování DNA a PCR-cDNA transkriptomika
• Kapalinová chromatografie-hmotnostní spektrometr LCMS-9050 s Nexera Mikros™ – hluboká proteomická analýza metodou DDA
• GCMS-TQ8040 NX – kvantifikace až 488 primárních metabolitů včetně aminokyselin, cukrů a organických kyselin
• Multi-omics Analysis Package (Shimadzu) – integrovaná vizualizace, statistické testy, projekce výsledků na metabolické dráhy
• Protokoly extrakcí a přípravy vzorků: QIAamp DNA Mini Kit, RNeasy Micro Kit, S-Trap proteinová digesce, derivatizace metabolitů

Hlavní výsledky a diskuse

Celogenomové sekvenování odhalilo ~830 000 SNV/indel a ~40 000 strukturálních variant specifických pro dlouhověkou linii. Transkriptomika identifikovala 185 statisticky významných lokusů (p ≤ 0,05). Proteomická analýza detekovala 944 proteinů, z nichž 162 bylo unikátních pro divoký typ a 126 pro dlouhověkou linii. Metabolomika odhalila ~300 metabolitů, z nichž dlouhověké muše akumulovaly homocystein a vykazovaly pokles mezičlánku lysinového rozkladu 2-aminoadipové kyseliny, což signalizuje posun v energetickém a redoxním metabolismu.

Integrovaná multi-omics analýza pomocí Volcano plotů a projekce na metabolické dráhy odhalila:

• Potlačení tryptofan-kynureninové dráhy v dlouhověké linii a vložení dlouhého fragmentu do intronu 4 genu Vermillion
• Vyšší expresi ribozomálního proteinu CG14792 a enzymů glykolýzy (triose-fosfát izomeráza) v dlouhověké linii
• Specifickou akumulaci metabolitu homocysteinu, spojenou s fenotypy Alzheimerovy choroby a vaskulárního poškození
• Korelace poměrů substrát/produkt s expresí proteinu CG31508, ovlivňujícího stresovou odezvu

Přínosy a praktické využití metody

Multi-omics přístup výrazně snižuje čas nutný pro analýzu genetických i metabolických dat, například zkrácením doby z ~12 dnů při pouhém NGS na ~0,6 dne kombinovanou analýzou s MS. Integrované projekce na metabolické dráhy umožňují rychle identifikovat klíčové genové, proteomické a metabolické změny, což je cenné pro farmakologický vývoj, biotechnologii i klinická studia stárnutí.

Budoucí trendy a možnosti využití

Další rozvoj multi-omics analýzy povede k:

• Implementaci metody DIA v proteomice pro vyšší kvantitativní přesnost
• Rozšíření databází a algoritmů pro lepší anotaci neznámých proteinů a metabolitů
• Integraci strojového učení pro predikci klíčových biomarkerů zdravého stárnutí
• Personalizovanému nastavení intervencí na základě multi-omics profilů

Závěr

Studie demonstrovala efektivitu kombinace NGS a MS v multi-omics analýze Drosophila melanogaster pro výzkum dlouhověkosti. Integrované workflow a pokročilá vizualizace významně zrychlují interpretaci rozsáhlých dat a umožňují odhalit nové molekulární cíle pro podporu zdravého stárnutí.

Reference

1. World Population Prospects 2022, United Nations
2. 令和4年(2022年)人口動態統計月報年計(概数)の概要, 厚生労働省
3. 120歳は長寿の上限？スーパーセンテナリアンの世界, 日経新聞
4. Category: Protocols, PROTIFI
5. Proteomes Drosophila melanogaster, UniProt
6. P38979 RSSA_DROME, UniProt
7. アルツハイマー病や大病を引き起こす高ホモシステインとは？, DIAMOND online
8. 2-aminoadipic acid is a marker of protein carbonyl oxidation in the aging human skin, David R Sell