Nature Communications | 代谢组学和蛋白质组学揭示阻断精氨酸琥珀酸合成酶1可缓解溃疡性结肠炎

溃疡性结肠炎（UC）是一种慢性特发性炎症性肠病（IBD）,其特征是结肠粘膜弥漫性炎症，经常复发，导致生活质量下降以及结肠炎相关结直肠癌的风险增加。UC已成为一项全球性的健康挑战，给患者和医疗保健系统带来了沉重负担。由于UC的发展是由多种因素的复杂相互作用驱动的，其治疗仍然是一项重大挑战。

在中国的三家医院建立了多中心UC 队列：（1）发现队列：131名UC患者和127名健康对照，（2）验证队列一：141名UC患者和136名健康对照，（3）验证队列二和三：30名UC患者和30名健康对照。以上队列的年龄和性别均匹配，发现队列采集血清、结肠粘膜组织和粪便，验证队列采集血清。

图1. 建立多中心人类UC队列

非靶向代谢组学发现，与健康对照相比，发现队列的UC患者血清样本中mTOR信号通路显著富集。Pearson相关性分析表明，血清中精氨酸和亮氨酸（mTOR通路的组成部分）与Mayo评分（UC患者的严重程度）显著正相关。靶向代谢组学验证，三个验证队列中血清精氨酸水平均显著升高，与发现队列的结果一致。此外，发现队列中UC患者粪便样本中的精氨酸水平也升高。无标记定量蛋白质组学发现，与健康对照相比，UC患者的结肠组织中ASS1（精氨酸琥珀酸合成酶1）蛋白显著上调，这也通过蛋白质印迹，qRT-PCR和免疫组织化学进一步证实。

图2. 对照组和UC参与者之间不同的代谢谱

图3. 人类UC患者精氨酸和ASS1水平升高

与对照小鼠相比，UC小鼠显示出体重显著快速减轻，疾病活动指数（DAI）增加，结肠长度减少。靶向代谢组表明，UC小鼠血清和结肠组织中的精氨酸水平显著升高。组织病理学分析表明，UC小鼠中的炎症细胞浸润和粘膜损伤增加。ELISA检测表明，UC小鼠结肠组织中髓过氧化物酶（MPO）水平和促炎细胞因子（包括IL-6和IL-1β）显著升高。Western检测显示，UC小鼠结肠组织中磷酸化mTOR、STAT3和S6，以及ASS1和COX-2蛋白的表达增加。粪便16S rDNA测序分析，产生丁酸盐的clostridium和oscillibacter的丰度显著降低。以上临床症状在补充精氨酸的UC小鼠中更为明显。

图4. 外源性精氨酸加剧了UC小鼠临床症状

在UC小鼠结肠组织中，ASS1过表达也会加剧了UC小鼠临床症状，而ASS1基因敲低以及使用ASS1抑制剂（α-甲基-dl-天冬氨酸，MDLA）则表现出相反的症状。体外实验：在人结肠粘膜上皮细胞系（NCM460 细胞）、原代肠上皮细胞以及人类的肠道类器官中，与MDLA预孵育或ASS1基因敲低提供了保护作用，减少了IL-6诱导的mTOR通路激活和IL-1β释放。

图5. 精氨酸合成的调控显著影响UC小鼠的临床症状

利用IL-6刺激NCM460细胞诱导UC，qRT-PCR检测发现IIL-6刺激上调了ASS1的mRNA水平。染色质免疫沉淀（ChIP）测定表明，IIL-6刺激导致ASS1启动子区发生的表观遗传变化（如乙酰化H3和三甲基化H3K4水平升高、二甲基化H3K9水平降低）。转录因子c-Myc（位于ASS1的启动子）敲低会阻止 IL-6 诱导的 ASS1 mRNA 表达，并且逆转了 IL-6 诱导的表观遗传激活。免疫共沉淀（Co-IP）发现，c-Myc可与p300（组蛋白乙酰转移酶）以及KDM3A（H3K9去甲基化酶）形成复合物，从而驱动了ASS1的转录激活。

图5. ASS1在暴露于IL-6的NCM460细胞中的表观遗传激活

通过虚拟筛选、分子动力学模拟和细胞实验验证，发现化合物C-01可有效抑制受IL-6刺激的NCM460 细胞的STAT3磷酸化。表面等离子体共振（SPR）表明，C-01可以直接有效地与ASS1结合。C-01治疗有效降低了结肠炎小鼠的DAI评分，减轻了结肠缩短，改善了结肠组织病理学，并降低了促炎细胞因子的水平。C-01处理抑制了DSS小鼠COX-2、P-mTOR、P-STAT3和P-S6的蛋白水平。此外，在C-01处理的小鼠中观察到结肠组织和血液中精氨酸水平的下调。药代动力学表明，具有良好药代动力学特征的C-01是UC治疗的潜在候选药物。

图6. 筛选确定C-01是ASS1的抑制剂

本研究重新定义了精氨基琥珀酸合成酶ASS1/精氨酸在溃疡性结肠炎（UC）病理过程中的作用，以及精氨酸在溃疡性结肠炎发生发展中的双重性。表明ASS1/精氨酸轴通过激活mTOR通路在UC的发展中起着至关重要的作用。C-01对ASS1的治疗靶向可能是治疗UC的有价值的候选者，其临床转化有待进一步研究。

参考文献

Liu S, et al. Metabolomics and proteomics reveal blocking argininosuccinate synthetase 1 alleviates colitis in mice. Nat Commun. 2025

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