清華新聞網(wǎng)5月30日電 在當(dāng)下全球人類健康研究前沿領(lǐng)域，代謝組學(xué)正在成為推動(dòng)精準(zhǔn)醫(yī)療發(fā)展的關(guān)鍵性工具——通過(guò)核磁共振（NMR）等高通量檢測(cè)技術(shù)，科學(xué)家們得以縱觀全局，快速、深入地解析人體代謝狀態(tài)與疾病之間的復(fù)雜關(guān)聯(lián)。然而，面對(duì)高維復(fù)雜的代謝組數(shù)據(jù)，如何準(zhǔn)確識(shí)別個(gè)體間的代謝差異，仍然是當(dāng)前生物信息學(xué)領(lǐng)域亟待突破的攻堅(jiān)難題。
目前已知的代謝數(shù)據(jù)分析方法，往往難以有效捕捉數(shù)據(jù)中潛在的非線性結(jié)構(gòu)和隱含分層的特征，這在一定程度上限制了我們對(duì)于個(gè)體代謝狀態(tài)與疾病風(fēng)險(xiǎn)關(guān)系的深入理解和研究。特別是在識(shí)別特定亞群體、闡釋代謝異質(zhì)性對(duì)慢性疾病風(fēng)險(xiǎn)影響機(jī)制方面，傳統(tǒng)分析手段仍存在明顯局限性，有待進(jìn)一步優(yōu)化。
為解決這些關(guān)鍵問(wèn)題，清華大學(xué)丘成桐數(shù)學(xué)科學(xué)中心丘成桐團(tuán)隊(duì)和新加坡國(guó)立大學(xué)統(tǒng)計(jì)與數(shù)據(jù)科學(xué)系姚志剛團(tuán)隊(duì)開展長(zhǎng)期深度合作，創(chuàng)新性地提出了基于流形擬合的代謝分析框架（如圖所示）。該研究將251種源自英國(guó)生物銀行（UK Biobank）的NMR代謝生物標(biāo)志物系統(tǒng)劃分為七個(gè)功能類別，這些類別反映了人體代謝的模塊化結(jié)構(gòu)特征，并對(duì)每一類別分別進(jìn)行流形擬合。通過(guò)這一創(chuàng)新流程，研究團(tuán)隊(duì)成功在高維數(shù)據(jù)空間中識(shí)別出潛在的底層低維結(jié)構(gòu)，在有效降低數(shù)據(jù)噪聲干擾的基礎(chǔ)上，完整保留了關(guān)鍵的生物學(xué)信息。這種基于幾何原理的建模方法，將復(fù)雜的代謝數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為更具解釋性的模型，從而在群體層面上快速精準(zhǔn)地識(shí)別出具有明確疾病風(fēng)險(xiǎn)特征的亞人群。
基于流形擬合的代謝組分析流程圖
該方法首先將251個(gè)代謝標(biāo)志物劃分為七大類，隨后對(duì)每一類分別進(jìn)行流形擬合，提取關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，最后進(jìn)行個(gè)體分群和疾病關(guān)聯(lián)分析。
研究結(jié)果顯示，在七個(gè)功能類別中，有三個(gè)類別的流形結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒀芯咳巳呵逦鷦澐譃閮蓚€(gè)代謝特征顯著不同的亞群體。而這些亞群不僅在代謝特征上表現(xiàn)出系統(tǒng)性差異，更是被證明與代謝綜合征、心血管疾病和自身免疫性疾病等多種疾病風(fēng)險(xiǎn)顯著相關(guān)。相比傳統(tǒng)分析方法，該框架在保留生物學(xué)信號(hào)、發(fā)現(xiàn)疾病相關(guān)亞群，以及與人口統(tǒng)計(jì)學(xué)和生活方式變量的關(guān)聯(lián)一致性等方面均表現(xiàn)更優(yōu)。這項(xiàng)研究不僅為全面理解人體代謝狀態(tài)提供了全新的幾何切入視角，也為代謝組學(xué)研究和人群健康管理開辟了創(chuàng)新研究方向。
相關(guān)研究成果以“多元擬合揭示了英國(guó)生物庫(kù)人群的代謝組學(xué)異質(zhì)性和疾病關(guān)聯(lián)”（Manifold Fitting Reveals Metabolomic Heterogeneity and Disease Associations in UK Biobank Populations）為題，于5月28日發(fā)表于《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，PNAS）。
新加坡國(guó)立大學(xué)博士后研究員李冰杰、蘇佳驥以及博士生藺潤(rùn)宇為論文第一作者，清華大學(xué)丘成桐數(shù)學(xué)科學(xué)中心教授丘成桐與新加坡國(guó)立大學(xué)副教授姚志剛為論文通訊作者。研究得到新加坡教育部研究基金和清華大學(xué)丘成桐數(shù)學(xué)科學(xué)中心的支持。
論文鏈接：
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2500001122
供稿：丘成桐數(shù)學(xué)科學(xué)中心
編輯：李華山
圖片設(shè)計(jì)：王琦鑫
審核：郭玲
