다중 오믹스 통합 분석: 단백질체학과 대사체학이 코로나19 중증 환자 분류에 도움을 줍니다
코로나바이러스 감염증 COVID-19는 중증급성호흡기증후군 코로나바이러스 2(SARS-CoV-2)에 의해 발생하며, 현재 전 세계적으로 확산되고 있습니다. SARS-CoV-2에 감염된 환자 중 약 80%는 경증 증상을 보이며 예후가 양호합니다. 그러나 약 20%의 환자는 호흡 곤란을 겪으며, 즉각적인 산소 치료나 기타 입원 중재가 필요합니다. 이러한 환자들은 주로 호흡 수(≥30회/분), 평균 산소 포화도(안정 시 ≤93%) 또는 동맥혈 산소 분압/산소 농도(≤300mmHg)와 같은 일련의 임상적 특징을 기반으로 분류되고 진단됩니다. 그러나 이러한 임상적 특징을 보이는 환자들은 이미 임상적으로 중증 단계로 진행되었으며, 즉각적인 전문 중환자 치료가 필요하지 않으면 급속히 사망할 수 있습니다. 따라서 어떤 사례가 임상적으로 중증이 될 수 있는지를 조기에 평가할 수 있는 새로운 방법을 개발하는 것이 중요합니다.
본 연구에서는 연구자들이 중증 환자의 혈청에서 SARS-CoV-2에 의해 유도된 특이적인 분자 변화를 감지할 수 있다고 가정하고, 이를 검증하기 위해 단백질체학 및 대사체학 기술을 활용하여 COVID-19 환자 및 여러 대조군의 혈청을 분석했습니다.
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저널: Cell
영향력 지수: 38.637
발표 날짜: 2020년 5월
링크: https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)30627-9
요약
중증 COVID-19 환자의 조기 발견 및 효과적인 치료는 여전히 주요 과제입니다. 본 연구의 연구자들은 46명의 COVID-19 환자와 53명의 대조군 개인의 혈청에 대해 단백질체학 및 대사체학 분석을 수행했습니다. 이후 18명의 비중증 환자와 13명의 중증 환자의 단백질체학 및 대사체학 데이터를 사용하여 기계 학습 모델을 훈련했습니다. 모델은 10명의 독립적인 환자들을 대상으로 검증했으며, 그 중 7명을 정확히 분류했습니다. 두 번째로 19명의 COVID-19 환자를 포함한 시험 그룹에서 목표 단백질체학 및 대사체학 방법을 사용하여 이 분자 분류기를 추가로 검증했으며, 16명을 정확히 분류했습니다. 다른 그룹과 비교하여 연구는 COVID-19 환자의 혈청에서 거대식세포 기능 장애, 혈소판 탈립, 보체 시스템 경로 및 다수의 대사 억제를 포함하는 분자 변화를 확인했습니다.
주요 결과
연구자들은 먼저 TMT 기반 단백질체학 기술과 비표적 대사체학 기술을 사용하여 환자와 대조군 개인의 혈청을 분석했으며, 총 894개의 단백질과 941개의 대사물질(36개의 약물 및 그 대사물질 포함)을 식별하고 정량화했습니다. 분자 선택 없이, SARS-CoV-2 감염 환자의 혈청에서 얻은 오믹스 데이터는 건강한 개인과 잘 구별되었으며, 다른 그룹은 일정 수준의 분리를 보였습니다. 18명의 비중증 환자와 13명의 중증 환자의 단백질체학 및 대사체학 데이터를 기반으로 연구자들은 랜덤 기계 학습 모델을 구축하여 29개의 중요한 변수를 우선 순위화했으며, 여기에는 22개의 단백질과 7개의 대사물질이 포함되었습니다. 10명의 환자 독립 테스트 그룹에서 이 모델을 테스트한 결과, 한 명을 제외한 나머지 중증 환자가 올바르게 식별되었습니다. 이 분류기를 추가로 검증하기 위해, 연구자들은 22개의 단백질과 7개의 대사물질을 목표로 하는 질량 분석을 개발하여 19명의 환자를 테스트했으며, 그 중 16명을 정확히 분류했습니다. 연구는 COVID-19 환자의 혈청에서 105개의 단백질이 차등 발현되었으며, 중증 환자에서는 93개의 단백질이 특이적으로 조절됨을 발견했습니다. 경로 분석 및 네트워크 풍부화 분석은 이 93개의 단백질 중 50개가 보체 시스템 활성화, 거대식세포 기능 및 혈소판 탈립의 세 가지 주요 경로에 속한다는 것을 보여주었습니다. 연구는 COVID-19 환자의 373개의 대사물질에서 유의미한 변화가 발생했으며, 204개의 대사물질 변화는 mFuzz로 평가된 질병 중증도와 관련이 있음을 발견했습니다. 80개의 유의미한 변화가 있는 대사물질은 단백질체학 분석을 통해 드러난 세 가지 생물학적 과정과 관련이 있었습니다.
단백질체 및 대사체 특징을 통한 중증 및 비중증 COVID-19 환자의 기계 학습 기반 구분
COVID-19 혈청에서의 단백질 불균형
COVID-19 혈청에서의 대사물질 불균형
백태파이크 바이오테크놀로지에서는 다중 오믹스 통합 분석 서비스를 제공하며, 단백질체학과 대사체학의 통합 분석을 포함합니다.
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