文献解读
绘谱导读 | 集齐CNS！主刊证实核苷酸类代谢物调节脂肪生成，衣康酸与炎症绕不开的关系「202404」
本期集齐了CNS主刊好文，提示代谢研究热点方向:
1. 核苷酸类小分子的代谢调节作用：核苷三磷酸是一种含有三个磷酸基团的核苷酸，包括腺苷三磷酸（ATP）、鸟苷三磷酸（GTP）、胞苷三磷酸（CTP）、胸腺苷三磷酸（TTP）以及尿苷三磷酸（UTP）等。本期Science论文三磷酸尿苷（UTP）作为TPK1的首选底物，促进细胞TCA循环活性、从头脂肪生成(脂质新生)和脂肪细胞分化，UTP对维持丙酮酸氧化和脂肪生成所需的维生素B1利用至关重要；Cell Metabolism一篇论文指出限制肌苷诱导的线粒体活性可促进代谢功能障碍相关脂肪肝病MAFLD。上述两篇论文均采用了靶向代谢组学和代谢流作为研究工具。
2. 衣康酸与炎症：本期Nature一文通过多组学和代谢流分析揭示了糖皮质激素GCs通过重塑巨噬细胞线粒体代谢，增加抗炎代谢产物衣康酸的产生，从而发挥其抗炎特性；炎症是促进动脉粥样斑块形成的驱动力，本期PNAS论文通过靶向代谢组学等实验揭示IRG1-衣康酸轴通过抑制巨噬细胞和中性粒细胞之间的促炎串扰，从而防止胆固醇诱导的炎症和动脉粥样硬化。
3. 肠菌与代谢：本期Cell论文通过代谢组学数据与肠道菌群数据及整合分析，发现婴儿粪便中的肠菌种类氨基酸、维生素和神经递质前体可指示后续神经发育障碍的发生；Nature Communications的一篇论文建立了一种新的分析工具，可整合和分析人类肠道微生物组的多组学数据，识别与疾病相关的多组学模块。
导读目录
1. Science | 嘧啶维持线粒体丙酮酸氧化来支持从头脂肪生成
2. Cell Death and Disease | GFPT2-O-GlcNAcylation-YBX1轴促进IL-18分泌调节胰腺癌肿瘤免疫微环境
3. Cell Metabolism | 转酮醇酶通过限制肌苷诱导的线粒体活性来促进MAFLD
4. Nature Communications | 多组学整合微生物组数据用于识别疾病相关模块
5. Nature | 代谢重编程促进糖皮质激素的抗炎效应
6. Cell | 婴儿肠道微生物与代谢物可指示神经发育障碍
7. Nature Cell Biology | 人类和小鼠免疫细胞的脂质图谱提供了对铁死亡易感性的见解
8. PNAS | IRG1-衣康酸轴可防止胆固醇诱导的炎症和动脉粥样硬化
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01
Science | 嘧啶维持线粒体丙酮酸氧化来支持从头脂肪生成
细胞内的嘌呤类物质，特别是5′-三磷酸腺苷（ATP），可促进许多代谢反应，但嘧啶类化合物对细胞代谢的直接影响研究很少。丙酮酸脱氢酶（PDH）活性需要足够的底物和辅助因子，包括焦磷酸硫胺素（TPP）。细胞嘧啶的消耗减少了TPP的合成，TPP是由TPP激酶1（TPK1）催化的反应产物，该反应使用ATP使硫胺素（维生素B1）磷酸化。本研究发现，嘧啶类，而非嘌呤类物质，通过调节PDH活性来维持丙酮酸氧化和三羧酸循环（TCA），进而支持脂肪从头合成（脂质新生）。
● 1. 通过靶向代谢组学分析发现，利用DHODH抑制剂brequinar （BRQ）处理人宫颈癌细胞（HeLa），以及使用CRISPR-Cas9分别生成缺乏CAD或缺乏UMPS的人胚胎肾293E细胞，均使得新生嘧啶合成减少，进而导致柠檬酸盐丰度降低，丙酮酸盐量增加。进一步通过[13C6]-葡萄糖或[13C3]-丙酮酸的稳定同位素示踪发现，嘧啶耗尽使得细胞中丙酮酸分解代谢和TCA循环活性降低。
● 2. 嘧啶耗尽还影响线粒体中烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）的产生，导致电子传递链中复合体I的活性下降，这些现象可以通过补充尿嘧啶或重新表达UMP合成酶（UMPS）来逆转。
● 3. 通过化学或遗传抑制嘧啶合成可显著降低HeLa、HEK293E和mES细胞中硫胺素焦磷酸（TPP）丰度。使用[13C4]-硫胺素标记的稳定同位素示踪发现，在缺乏UMPS细胞中尿苷的消耗降低了TPP (M+4)的丰度。
添加外源性UTP有效恢复了嘧啶缺失细胞中的TPP丰度、丙酮酸分解代谢和TCA循环活性。将纯化的人TPK1与硫胺素、UTP、ATP或CTP孵育，发现UTP是TPK1生产TPP的首选底物。
● 4. 在BRQ处理的HEK293E细胞或小鼠3T3-L1成纤维细胞中，嘧啶缺失减少了新生脂肪生成。补充UTP可以有效地恢复了尿苷缺失的细胞中脂肪生成。缺乏Umps的3T3-L1成纤维细胞在低浓度尿苷（50nM）培养时也表现出脂肪细胞分化能力下降。
参考文献
Pyrimidines maintain mitochondrial pyruvate oxidation to support de novo lipogenesis. Science. 2024
02
Cell Death and Disease | GFPT2-O-GlcNAcylation-YBX1轴促进IL-18分泌调节胰腺癌肿瘤免疫微环境
免疫治疗在实体器官肿瘤中显示出显著的益处，免疫检查点阻断改善了多种癌症的治疗选择，但免疫疗法治疗胰腺导管腺癌PDAC（占胰腺癌90%）的疗效令人失望。多种内在和外在机制导致的免疫抑制微环境给胰腺癌的免疫治疗带来了巨大的挑战。本文证实己糖胺生物合成途径（HBP）的关键酶GFPT2介导的O-GlcNAc糖基化在调节免疫微环境中发挥重要作用。转录调控因子YBX1被GFPT2介导的O-GlcNAc糖基化和核易位促进IL-18的转录。本研究阐明了HBP在癌细胞中的代谢途径与免疫微环境的关系，这可能为联合HBP调控与免疫治疗联合治疗胰腺癌提供一些启示。
● 1. 通过转录组测序分析发现，GFPT2在肿瘤组织中普遍高表达，其高表达与预后较差相关，并且GFPT2与免疫细胞巨噬细胞的相关性最强。
● 2. 通过流式细胞术分析发现，SW1990和CFPAC-1细胞系中敲低GFPT2降低了共培养系统中M2巨噬细胞的比例，而在GFPT2过表达的PANC-1细胞系中观察到相反的趋势。通过细胞集落形成实验发现，GFPT2的敲低抑制了细胞增殖和细胞迁移，而GFPT2的过表达则观察到相反的趋势。
● 3. GFPT2的敲低降低了O-GlcNAc糖基化的总体水平，而在GFPT2的过表达则呈现相反的趋势。OGT抑制剂OSMI-1可以显著逆转PANC-1细胞中由GFPT2过表达引起的O-GlcNAc糖基化、巨噬细胞M2极化和恶性表型。
● 4. 采用无标记的定量蛋白质组学发现, GFPT2敲低抑制了细胞中IL-18 mRNA和蛋白的表达以及IL-18的分泌，而GFPT2过表达 则趋势相反。通过免疫沉淀和和免疫荧光实验发现，GFPT2促进了转录因子YBX1的O-GlcNAc糖基化和核易位。5. 通过YBX1抗体的ChIP和qRT-PCR实验发现，过表达GFPT2促进了YBX1与IL-18启动子的结合，OGT抑制剂OSMI-1抑制了这种结合。在裸鼠皮下肿瘤中，GFPT2敲低细胞中IL-18表达、蛋白O-GlcNAc糖基化和YBX1核易位均降低，而GFPT2过表达细胞中则相反。
参考文献
The GFPT2-O-GlcNAcylation-YBX1 axis promotes IL-18 secretion to regulate the tumor immune microenvironment in pancreatic cancer. Cell Death Dis. 2024
03
Cell Metabolism | 转酮醇酶通过限制肌苷诱导的线粒体活性来促进MAFLD
代谢功能障碍相关脂肪肝病（MAFLD）是全球最常见的慢性肝病之一，患病率约为25%，但目前尚无批准的治疗方法。肝细胞线粒体失调是MAFLD的一个标志，其代谢物既是线粒体完整性的重要组成部分，也是调节线粒体功能的信号分子。本研究通过代谢组学和蛋白质组学分析发现高胰岛素血症诱导的肝转酮醇酶（TKT）上调是MAFLD的一个重要特征，靶向TKT的GalNAc-siRNAs能有效改善脂肪性肝炎和肝脏纤维化，为MAFLD的预防和治疗提供了新的治疗策略。
● 1. 通过对肝脏样本进行代谢组学分析发现，与健康对照组相比，MAFLD患者肝脏中的戊糖磷酸通路（PPP）发生显著改变。进一步对PPP和糖酵解代谢酶进行蛋白质组学分析，发现非氧化PPP酶TKT水平在MAFLD患者肝脏和对照组之间表现出最显著的差异。
● 2. 从Tktflox/flox Albcre和Tkt+/+ Albcre小鼠中分离原代肝细胞进行代谢组学分析，发现Tkt缺乏显著改变了嘌呤代谢途径以及PPP，上调了核苷如酪氨酸、腺苷和脱氧腺苷的水平，尤其是肌苷的水平。
● 3. 使用LC-MS通量示踪分析来检测同位素[13C5]标记的肌苷在原代肝细胞中的代谢情况，发现在Tkt缺陷的肝细胞中，肌苷衍生的核糖碳进入PPP和糖酵解受到阻碍，此外，Tkt缺陷肝细胞中肌苷衍生核糖的代谢率也显著降低。
● 4. 对人类肝脏样本进行脂质组学分析，共确定了10类700多种脂质，且利用WGCNA分析将脂质划分为了15个模块，发现3种脂质（包括磷脂酰胆碱PC，鞘磷脂SM，神经酰胺Cer，甘油三酯TG和甘油二酯DG）模块与TKT蛋白水平呈负相关。
参考文献
Transketolase promotes MAFLD by limiting inosine-induced mitochondrial activity. Cell Metabolism. 2024
04
Nature Communications | 多组学整合微生物组数据用于识别疾病相关模块
人类肠道微生物组的多组学研究对于了解其在多种疾病中的作用至关重要。然而，整合和分析这些复杂数据集是一个巨大的挑战。当前的分析方法通常会产生大量的与疾病相关的特征列表（例如，物种、途径或代谢物），但没有捕捉到数据的多层次结构。MintTea（微生物组多组学整合工具）是一种新的分析工具，可整合和分析人类肠道微生物组的多组学数据，识别与疾病相关的多组学模块。这项工作展示了先进的整合方法在揭示微生物组与疾病之间系统级、多方面相互作用的假设方面具有潜力。
● 1. 研究团队将MintTea应用于9个不同疾病的宏基因组测序数据集，发现每个数据集有2-5个共识模块，每个模块包含来自不同组学的2至38个特征，每个数据集有1-2个模块表现出与疾病强烈的关联。在T2D（2型糖尿病）数据集中，识别出5个共识模块，其中2个被分类为与疾病相关的多组学模块，其AUC分别达到0.86和0.73。
● 2. 进一步利用MintTea识别出一个与晚期结直肠癌相关的模块，该模块总共包括7个特征；3个细菌种类，分别是Peptostreptococcus stomatis、Peptostreptococcus anaerobius和Gemella morbillorum，以及4种粪便代谢物：2种支链氨基酸，即缬氨酸和亮氨酸，一种芳香族氨基酸-苯丙氨酸（Phe），以及半胱氨酸-谷胱甘肽二硫化物。
● 3. 研究团队还发现了一种名为Bacteroides uniformis的细菌物种，它是一种革兰氏阴性菌，具有分解纤维的能力，并且在人类胃肠道中非常丰富。这种细菌在5个不同的数据集的模块中都被识别出来。
参考文献
Multi-omic integration of microbiome data for identifying disease-associated modules. Nature Communications. 2024
05
Nature | 代谢重编程促进糖皮质激素的抗炎效应
糖皮质激素（GCs）是治疗免疫介导炎症性疾病的主要药物，但其抗炎作用的分子机制尚未完全阐明。此外，GCs对代谢途径的调节作用，尤其是在免疫细胞中的作用尚未完全明了。本研究通过多组学分析揭示了GCs通过重塑巨噬细胞线粒体代谢，增加抗炎代谢产物衣康酸的产生，从而发挥其抗炎特性。
● 1. 对脂多糖（LPS）处理的骨髓源性巨噬细胞（BMDMs）进行RNA-seq分析，结果显示GCs抑制了不同模块的促炎基因的表达。
● 2. 通过碳同位素标记的葡萄糖（U-[13C]glucose）的碳示踪实验，证实GCs显著地重定向了促炎巨噬细胞的葡萄糖代谢。GCs减少了依赖葡萄糖的乳酸生成，并将其转移到线粒体TCA循环中，这导致了TCA循环代谢产物如柠檬酸、延胡索酸和苹果酸以及TCA循环的代谢产物衣康酸的碳交换率显著增加。
● 3. 相关分析结果表明，GCs通过促进丙酮酸进入线粒体TCA循环，而不是在细胞质中还原为乳酸，从而调节了LPS激活的巨噬细胞的丙酮酸代谢。直接定量丙酮酸的两个产物—乳酸和乙酰辅酶A进一步证实了GCs诱导的乳酸减少和乙酰辅酶A增加的现象。这些发现指向了GCs介导的线粒体代谢重编程，证实衣康酸的产生对于GC诱导的体内抗炎作用至关重要。
参考文献
Metabolic rewiring promotes anti-inflammatory effects of glucocorticoids. Nature. 2024
06
Cell | 婴儿肠道微生物与代谢物可指示神经发育障碍
神经发育障碍（NDs）对中枢神经系统的成熟产生深远且持久的影响，常在儿童时期显现。这些障碍包括自闭症谱系障碍（ASD）、注意力缺陷多动障碍（ADHD）、智力障碍等。尽管遗传和环境因素可能扰乱神经适应性，但早期诊断因缺乏特定生物标志物而具有挑战性。因此，本研究通过对婴儿肠道微生物组和代谢组的多组学分析，揭示了生命早期因素与之后确诊为NDs的关系。
● 1. 通过LC-MS/MS分析代谢组和脂质组，发现未来ND个体在婴儿期（1岁）就存在菌群组成和代谢物的失调，在其脐带血清中，亚麻酸水平较低、全氟癸酸（PFDA）水平较高；同时伴随某些氨基酸、脂肪酸、维生素和神经递质前体等代谢物的紊乱，并与早期情绪和胃肠问题存在关联。
● 2. 通过16S rRNA基因测序，显示耳炎、早产、感染、家庭压力、父母吸烟以及特定HLA基因型（DR4-DQ8）与ND风险增加相关，其中，HLA、压力、感染/反复使用抗生素、剖宫产等因素与菌群的变化存在关联，耳炎可能通过减少粪球菌属、增加柠檬酸杆菌属，增加未来ND风险。
● 3. 代谢组学数据与肠道菌群数据整合分析，发现婴儿粪便中的维生素和神经递质前体的与肠道菌群存在显著关联，该发现支持了一种假说，即ND的早期起源是由肠道菌群介导的，可能与炎症调控等因素有关。
参考文献
Infant microbes and metabolites point to childhood neurodevelopmental disorders. Cell. 2024
07
Nature Cell Biology | 人类和小鼠免疫细胞的脂质图谱提供了对铁死亡易感性的见解
铁死亡是一种调节细胞死亡的形式，涉及含氧自由基对细胞膜脂质的致命脂质过氧化，在神经退行性疾病和癌症中起着重要作用。本研究使用靶向脂质组学全面表征了人类和小鼠免疫系统的细胞脂质组，并揭示了多不饱和脂肪酸-甘油磷脂（PUFA-PLs）的丰度差异影响免疫细胞对脂质过氧化和铁死亡的易感性。
● 1. 运用靶向脂质组学分析健康人外周血液中分离出的成熟免疫细胞群，发现主要脂质类别在所有细胞的分布基本相似。进一步创建了小鼠免疫系统的脂质组图谱，发现其与人类的免疫细胞脂质结构相似，且骨髓细胞中均富含醚类PLs。
● 2. 脂质代谢谱提示，骨髓在中性粒细胞成熟过程二酰基和醚类PLs比例发生明显变化，且髓细胞和淋巴细胞之间PUFA比例具有显著差异。细胞表型数据显示，富含PUFA-PLs的淋巴细胞比髓细胞对脂质过氧化和铁死亡更敏感，表明PUFA-PLs丰度的差异可能为导致免疫细胞对铁死亡的不同易感性的原因。
● 3. 建立向单不饱和脂肪酸（MUFA）转变的T细胞模型，发现PLs有所降低，并可保护T细胞免受谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）抑制引发的脂质过氧化和铁死亡的影响；而补充PUFA会增加PLs的丰度，并导致脂质过氧化和细胞铁死亡。这共同证实了PUFA-PLs的丰度差异是免疫细胞对脂质过氧化和铁死亡的易感性的决定性因素。
参考文献
A lipid atlas of human and mouse immune cells provides insights into ferroptosis susceptibility. Nature Cell Biology. 2024
08
PNAS | IRG1-衣康酸轴可防止胆固醇诱导的炎症和动脉粥样硬化
动脉粥样硬化的起因是血管内无法消除脂质驱动的炎症，而炎症又是斑块形成的驱动力。代谢物衣康酸因其免疫调节特性而备受关注，其是通过三羧酸中间体顺式-乌头酸由乌头酸脱羧酶1，又称免疫应答基因1（IRG1/ACOD1）产生的。本研究围绕IRG1-衣康酸轴探索了与动脉硬化系统中的炎症响应的关系，强调了寻求IRG1-衣康酸轴补充作为人类动脉粥样硬化治疗方法的意义。
● 1. 研究首先运用单细胞测序技术发现，IRG1在人和小鼠动脉粥样硬化斑块的免疫细胞中表达，且随着病情发展表达逐渐降低。靶向代谢组学发现衣康酸在巨噬细胞免疫模型中升高，定量RT-PCR发现Irg1转录水平也升高。
● 2. 构建Irg1缺陷小鼠，发现Irg1缺失增加了巨噬细胞中的脂质积累，加重动脉粥样硬化发展。挖掘其潜在机制为Irg1的缺陷增加了中性粒细胞细胞外陷阱（NET）形成和启动的NLRP3炎性体的激活从而加速巨噬细胞炎症，导致促动脉粥样硬化细胞因子IL-1β释放增加，也表明了Irg1可抑制巨噬细胞和中性粒细胞之间的促炎串扰。
● 3. 研究进一步发现，使用衣康酸衍生物—4-衣康酸辛酯（4-OI）补充Irg1-衣康酸轴有利于重塑小鼠晚期斑块并降低病变相关的IL-1β水平，且4-OI可减弱CVD患者外周血单核细胞的促炎磷酸化信号，并介导巨噬细胞群的抗炎重编程。
参考文献
The IRG1-itaconate axis protects from cholesterol-induced inflammation and atherosclerosis. PNAS. 2024.
END
