[Article] Omics와 lipidomic

ISID학회를 다녀온 후 마이크로바이옴 논문을 요약, 정리해 보았다. 마이크로바이옴 논문 중 대부분은 Omics적인 내용을 담고 있다. 논문 중 국내(연세대)에서 출간된 논문도 마이크로바이옴과 지질, 면역물질에 대한 omics내용을 담고 있었다. 

 

3년 전에 생물정보학을 처음 접했을 당시에도 오믹스가 중요하다는 말을 들었다. 현재 마이크로바이옴 분석을 담당하고 있지만, 아직도 오믹스의 뜻을 잘 이해하지 못했다. 이번 기회에 한번 알아보고자 Jianbiao He BS의 "Application of omics technologies in dermatological research and skin management"를 읽고 정리해 보았다. 

 

결론만 말하자면 기초 분석은 어렵지 않지만, (내가) 실험하기는 어렵다😅

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Omics란?

Omics란 유전체 분석 데이터에서 시작되어, 서열뿐만 아니라 그 기능, 분자의 구조, 생물학적 처리과정 등을 다룬 학문을 말한다. 여기에는 포함된 학문은 genomics, transcriptomics, proteomics, metabolomics, lipidomics, microbiology 등이 있으며, 분석 대상은 DNA, RNA, protein, metabolited, microorganisms 등이 있다. 

우리는 이 데이터를 활용해 분자 수준의 진단을 내리거나, 바이오마커를 찾고 약물평가를 한다. 

 

 

각 분석 방법의 장단점 

TABLE . 각 분석 방법의 장단점

	연구 시작	프로젝트 대상	방법	장점	단점
Genomics	1985	DNA	- qRT-PCR - GWAS - SAGE - CRISPR/Cas	- Microcosmic - high throughput - high accuracy	시퀀싱 시간이 길고 비싸다
Transcriptomics	1991	RNA	- Gene chip - EST - SAGE - RNA-Seq	- Good repeatability - high sensitivity - wide detection range	- 비싼 시퀀싱 비용  - 많은 양의 샘플이 필요 - 데이터 분석이 까다롭다
Proteomics	1994	Protein	- Two-dimensional gel electrophoresis - mass spectrometry - two-dimensional capillary electrophoresis - yeast two-hybrid system	- Qualitative - quantitative detection of different proteins	- 풍부도가 적은 단백질을 감지하기에 충분히 예민하지 않음
Metabolomics	1999	Metabolites with relative molecular mass less than 1000	- NMR - MS - LC-MS	- The detection is easier - the sampling is convenient - the type and quantity are far smaller than genes and proteins	- 대사물 변환이 빠르고  안정성을 관리하기 어려움 - false positives may occur
Lipidomics	2003	Lipid	- ESI-MS - DESI-MS - UPLC-QTOF-MS	- High quality accuracy - high coverage - low sample consumption	- 많은 종류의 지질, 구조가 존재 - 감지하기 위해 많은 기술 필요 - 절대적인 양을 측정하기 어려움
Microbiomics	2006	Microorganism	- 16S rDNA gene sequence - metagenomic data analysis	- Microbes easily respond to stress and disease	- 데이터가 크고 수집, 저장하기 어려움

 

 

 

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Lipid 가 피부에 미치는 영향

- 지질은 크게 sebocyte-, keratinocyte-, microbe- 에서 온 지질로 나뉜다

- 미생물들은 피부 유래 지질을 신호분자로 사용한다 

 

- 주요한 Sebocyte의 유래 지질은 아래와 같다 :  squalene, triglyceride (TG), fatty acid (FA), wax ester, cholesterol (CHOL), cholesteryl ester

- 주요한 Keratinocyte의 유래 지질 전구체 :  각질세포에서 합성되어  lamellar bodies 형태로 분비,  이들은 stratum corneum (SC)에 전달되어서 지질합성, 주로 ceramide (CER), FA and CHOL 등 

- Skin microbe- 의 유래 지질은 미생물들의 대사로 인해 생성되며 주로  short-chain fatty acids (SCFA) 등이 있다.

 

TABLE . 피부에서 지질의 기능 

	Functions	Lipid	Mechanism
Physical  chemistry  function	Barrier function	Squalene, Wax ester, TG, CERs, FAs, Cholesteryl ester, CHOL, Phospholipids	Carbon-chain forming epidermal permeability barrier
	Protection against sunburn and UV radiation	Squalene, TG	Carbon-chain forming epidermal permeability barrier
	Water resistance	Wax ester	Carbon-chain forming epidermal permeability barrier
	Oxidation Resistance	Wax ester	Carbon-chain forming epidermal permeability barrier
Bio-chemistry  function	Stimulating lipid synthesis	Unsaturated FAs, eg. AA, LA	PPARγ activation
	Promoting terminal sebocytes differentiation	Unsaturated FAs, eg. AA, LA	PPARγ activation
	Stimulating cell proliferation and migration	Ceramide-1-phosphate, Sphingosine-1-phosphate	Suppressing TNFα-induced-NF-κB activation and Toll-like receptor 4-induced NF-κB activation
	Inhibiting keratinocyte cell proliferation	Unsaturated FAs	PPARγ activation
	Apoptosis	Ceramide	Activation of TNF-receptors
	Anti-apoptosis	Ceramide-1-phosphate; sphingosine-1-phosphate	Suppressing TNFα-induced-NF-κB activation and Toll-like receptor 4-induced NF-κB activation
	Inflammation	AA	Production of leukotriene B4 and prostaglandin E2
	Anti-inflammation	Unsaturated FAs	PPARγ activation; Inhibiting Langerhans cell functions; Decreasing adhesion molecules expression
	Anti-aging	Unsaturated FAs	PPARγ activation
Micro-ecology  function	Against some sensitive skin microbiome, eg. S. aureus	Short-chain fatty acids	Inhibiting histone deacetylase (HDAC);
	Against staphylococci	Sapienic acid	Membrane depolarization
	Against gram-positive bacteria	Palmitoleic acid	Membrane depolarization
	Enhancing preadipocyte differentiation to adipocytes	Butyric acid	Inhibiting histone deacetylase (HDAC);

 

 

 

Lipidomics 

- 지질은 에너지 저장, 신호 전달, 세포막 등 중요한 요소로 사용된다. 지질은 당뇨, 비만, AD 등 여러 질병에서 연구되고 있다.

- 지질은 8개의 범주로 분류된다 : fatty acyl (FA), glycerides (GL), glycerophospholipids (GP), sphingolipids (SP), sterol lipids (ST), prenol lipids (PR), saccharolipids (SL), polyketides (PK)

- 지질체학은 단백체학의 일부로 포함된다

- 지질체학은 현재, (1) lipids의 구조 판별, (2) 질병군과 정상 군의 대사체에 대한 네트워크 분석, (3) 지질체학 오믹스 데이터의 고퀄리티 대량생산에 대한 문제와 (4) 낮은 양의 지질을 분석하는 방법에 초점이 맞추어져 있다. 

-  분석방법은 chromatography, NMR, electrospray ionization mass spectrometry (ESI-MS), ultra performance liquid chromatography-quadrupole time-of-flight mass spectrometry (UPLC-QTOF-MS), Desorption Electrospray Ionization Mass Spectrometry (DESI-MS) 등이 있다. 

- 현재는 주로 mass spectrometry 기술을 사용한다. 이는 높은 정확성, 커버리지를 가지면서 샘플의 소모가 적다. 

 

 

Lipidomics를 피부연구에 적용한 사례 

- Skin lipids는 sebaceous gland cells이나 각질세포(keratinocytes) 혹은 피부 미생물에 이해 생산된다.

- 주요한 구성성분은 triglycerides, squalene, fatty acids, cholesterol, ceramides, 등이다.

- 피부의 상태는 피부 지질에 많은 영향을 미친다. 피부세포의 대사나 염증 반응이 지질 조성에 영향을 미친다.

- 피부 미생물 생태계는 유의한 영향을 미친다. 피부의 지질은 미생물의 양분 혹은 억제제가 될 수 있다. 반대로 미생물의 풍부도 피부 지질에 영향을 미친다. 

- UPLC-QTOF-MS을 사용해서 Acne에 대한 skin surface lipid (SSL) 연구 -> Acne 환자의 sebum은  fatty acyl, glycerophospholipid, 와 sterol lipid가 증가하고  isopentenol lipid, glycolipid가 정상대조군보다 감소하였음. 또한 다변량 분석을 통해 Acne에서 ceramide chain 길이에 감소하고 unsaturated free fatty acids가 증가 

 

 

미생물 유래 지질의 기능

- 예를 들어, 산소와 미생물은 피지 성분을 변형하고 중성 지방을 지방산으로 가수분해하여 PPARγ(대사조절인자)와 관련된 신호 네트워크를 자극하고, 피부의 지질 패턴 변화

- 피부 지질은 피부를 포장하는 물질이자 표피에 신호를 전달하는 역할뿐만 아니라, 피부 군집을 위한 성장 매질 또는 세균 억제제로도 작용

- 그람 양성 세균인 S. aureus, Streptococcus salivarius, C. acnes, E. coli, F. nucleatum, Pseudomonas aeruginosa 등이 피부 지질에 예민

- RNA-Seq을sapienic acid에 의해 S. aureus가 억제

- 지방산은 사슬 길이가 감소 -> 세균 억제 능력이 증가 

 

 

 

 

 

출처

- He J, Jia Y. Application of omics technologies in dermatological research and skin management. J Cosmet Dermatol. 2022 Feb;21(2):451-460. doi: 10.1111/jocd.14100. Epub 2021 Apr 1. PMID: 33759323.

- Jia Y, Gan Y, He C, Chen Z, Zhou C. The mechanism of skin lipids influencing skin status. J Dermatol Sci. 2018 Feb;89(2):112-119. doi: 10.1016/j.jdermsci.2017.11.006. Epub 2017 Nov 21. PMID: 29174114.