Nature reviews Molecular cell Biology | 小分子代谢物如何调控上游大分子

代谢物组（metabolome）是器官或细胞内小分子代谢产物的集合，被用于鉴定可诊断和预测疾病的生物标志物。然而，代谢物组分析（代谢物组学）的价值已经从一个简单的生物标志物鉴定工具被重新定义为一种发现生物过程的活性驱动因素的技术。代谢物不仅是机体表型的标志物，还可通过调节其他组学（基因组、表观基因组、转录组和蛋白组）的水平来影响细胞的生理功能。本文主要综述了代谢物如何影响其他组学，进而揭示了代谢物在生理和疾病中的积极作用，并提出了活性代谢组学（activity metabolomics）的概念。

代谢物组代表了整个动态系统中最下游的阶段（即代谢）,在基因-蛋白-代谢物-表型框架内，代谢物作为在分子水平上可对表型进行动态和敏感的测量手段已被广泛接受，使代谢组学成为与病理生理过程相关生物标志物和机制探索研究的最前沿。此外，代谢物还有更深远的调控活性。事实上，代谢物可以和所有其他组学水平交互并发挥积极的调节作用（图1）。通过这种交互作用，代谢物可作为调节剂直接调控生理过程和表型。过去数十年内对代谢物的调控功能进行大量研究，并取得了一些开创性的成果，如细菌中乳糖操纵子学说；葡萄糖、脂肪酸和其他脂质可作为胰岛素分泌和敏感性的调节器；mTOR激酶作为营养和能量传感器。得益于代谢组学技术的发展，具有生理活性代谢物的发现快速增长，如NAD+促进去乙酰化酶活性，对抗年龄相关的改变；乳酸调节神经兴奋性和可塑性；α-酮戊二酸调节巨噬细胞活化和免疫；丙二酰辅酶A控制成人神经再生；牛磺酸诱导髓鞘碱性蛋白表达。癌细胞代谢研究发现富马酸、2-羟基戊二酸和琥珀酸等致癌代谢物的累积导致信号调节异常，形成致癌的环境。因此，代谢物对细胞生理有很大影响，支撑了它们作为生物活性物质的重要角色。

代谢物可驱动DNA和RNA(如甲基化)以及蛋白质(翻译后修饰)的关键共价化学修饰过程。这些化学修饰的动态特征已被证明对细胞功能具有巨大影响。

蛋白质翻译后修饰过程包含至少几十种不同的小分子，实现在酶促反应中结合不同的氨基酸，如赖氨酸乙酰化、半胱氨酸棕榈酰化或酰基化。值得注意的是乙酰化还可在非酶促催化下发生。此时，化学计量比较低且功能不明确。其他的翻译后修饰代谢物包括琥珀酰辅酶A（精氨酸琥珀酰化）和活性糖分子，如UDP-葡萄糖（图2a）。一些活性代谢物还存在调控抗炎反应（通过半胱氨酸残基的烷基化）（图2b）、蛋白质稳态（通过蛋白酶体成分的聚ADP-核糖基化）（图2c）或酶活性（通过赖氨酸戊二酰化）（图2d）作用。参与这三种过程的生物活性代谢物分别是衣康酸、ATP-核糖和戊二酰辅酶A。多种蛋白质还可通过自身的赖氨酸残基接受S-腺苷蛋氨酸(SAM)的甲基从而被甲基化（图2e）。值得注意的是，许多代谢物诱导的蛋白质修饰的强弱直接依赖于细胞的代谢状态，因此活性代谢物代表了一种强大的表型调控手段。

DNA最关键的修饰是甲基化，即将SAM甲基基团转移给胞嘧啶（图2e）。这种修饰最初是在胚胎发育过程中建立的，并在整个生命周期中持续，它在不同细胞类型、组织和发育阶段以及衰老过程中表现出高度的动态性。SAM和其他代谢产物，如甘氨酸、丙酮酸、半乳糖和苏氨酸，可作为转录后RNA修饰酶的辅助因子。这些RNA修饰作为信息的感应器和转导器来控制代谢速率(如耗氧量)和蛋白质合成。不过，它们的作用还没有完全被揭示。此外，酶促组蛋白修饰如赖氨酸乙酰化、赖氨酸和精氨酸甲基化、丝氨酸磷酸化是表观遗传的关键调控器，直接影响基因表达、染色体包装和DNA修复。

代谢物-大分子非共价相互作用是细胞活性调控的第二种模式。典型例子是代谢物与酶活性位点的竞争性结合(抑制作用)，以及代谢产物与活性中心以外的位点结合(变构作用)来改变酶活性。这些认知不仅适用于酶，也适用于多种调控rRNA(代谢控制的核糖体开关)、蛋白质(如信号受体)和各种其他分子。

G蛋白偶联受体(GPCRs)是代谢物激活信号分子研究中最好例子，该蛋白也是最早被鉴定为药物靶点的蛋白之一。小鼠G蛋白偶联受体91(GPR91，也被称为琥珀酸受体1)是由琥珀酸激活，以控制血压。GPR40(也称为游离脂肪酸受体1)是由几种脂肪酸激活的，包括棕榈酸羟基硬脂酸(PAHSA)，它属于内源性脂质（图3a）。代谢产物与这些受体的结合会引发高度特异性的信号反应，从而导致信号网络中特殊细胞活化。转录因子和基因表达的调控亦是如此。例如，食物来源的植物雌激素导致雌激素受体的非典型激活，调节细胞代谢并负反馈影响乳腺癌细胞对治疗的反应（图3b）。在转录和翻译水平上，代谢物可以通过调控核糖体开关发挥作用，包括赖氨酸、谷氨酰胺、钴胺素、焦磷酸硫胺素和嘌呤（图3c）。在这个过程中，代谢物与不同的mRNA区域结合，改变mRNA的构象，最终调节蛋白质的翻译。代谢物还可以促进更高分子蛋白质的组装，如细菌葡萄糖-1-磷酸尿苷转移酶galF在ATP存在下组装成多聚体(五聚体或六聚体)（图3d）。此外，活性代谢物还可控制其他必需营养素的吸收和利用，如植物对铁的吸收依赖于根系局部还原剂的存在。

生物活性代谢物如何驱动表型的改变？致癌代谢物是最好的示例之一，因为它们较早被发现并在癌细胞中建立表型调节机制。致癌代谢物包括D/L-2-羟基戊二酸、琥珀酸和富马酸，不同类型的癌细胞中这些代谢产物的积累是恶性转化的诱因。异柠檬酸脱氢酶（IDH）的功能获得性突变导致D-2-羟基戊二酸水平增加，富马酸酶（FH）和琥珀酸脱氢酶（SDH）的功能丧失性突变则分别导致富马酸和琥珀酸的累积。重要的是它们不仅是疾病的生物标志物，还能够修饰及与蛋白和DNA互作。许多致癌代谢物的生物活性源于抑制α-酮戊二酸依赖的双加氧酶，包括脯氨酰羟化酶，其是缺氧诱导因子(HIF)关键的负调控因子。致癌代谢物抑制脯氨酰羟化酶，导致正常氧含量下HIF增加，进而诱导癌细胞能量代谢从氧化磷酸化向糖酵解转变，即Warbug效应。另外，致癌代谢物抑制α-酮戊二酸依赖的TET蛋白和赖氨酸去甲基化酶，导致组蛋白和DNA高度甲基化，阐释了致癌代谢物与表观基因组的关联。

除了抑制酶活性，致癌代谢物还有其他不同的生理活性。富马酸可以和半胱氨酸残基的巯基反应。该反应的一个示例是KEAP1蛋白，反应会抑制KEAP1活性，进而激活转录因子NRF2，驱动抗氧化和抗炎基因表达。这一机制已被证明是肾癌囊肿增大的原因。富马酸也介导参与氧化还原代谢酶的琥珀酰化，这一过程通常在癌细胞中被有效激活，以抵消代谢重塑后增加的活性氧和氮基团。富马酸也被认为可以修饰其他代谢物，如谷胱甘肽，从而增加氧化应激和加速衰老。最近研究发现D-2-羟基戊二酸可抑制支链氨基酸转氨酶（BCAT1和BCAT2）的活性，影响支链氨基酸的合成。值得注意的是，许多其他代谢物也被归类为致癌代谢产物，包括甘氨酸、葡萄糖和乳酸，这些代谢产物大多与有氧糖酵解、谷氨酰胺分解或一碳代谢有关。

表型调控代谢物的鉴定是一个复杂的过程（图4）。首先，可利用代谢组学技术鉴定出在不同条件下（如干扰组和对照组）物质丰度有显著差异的代谢物，从而初步提供代谢物组与表型的关联。在这个阶段，利用基于生物信息学方法，可以将已鉴定的代谢产物匹配到已知的代谢途径中。一旦建立候选生物活性代谢物列表，可采用同位素示踪技术（代谢流分析）追踪它们的归宿，确定相关酶和生化途径时间依赖的活性变化。最后，利用体外细胞、器官模型或动物模型对代谢物进行生物活性测试。这些测定提供了内源性代谢物补充（通过饮食、饮水或加入细胞培养基）如何影响或修饰表型的直接信息。代谢物的生物活性也可以用化学生物学方法来研究，或者利用先进的数学模型来预测。代谢组学数据也可以与其他组学数据交叉关联。这种多组学分析为代谢物生物学作用提供了一种机制上的理解。以上这些方法共同建立了一个生物活性代谢产物发现框架，可以称之为活性代谢组学。

从候选列表中筛选生物活性代谢物可以通过多种策略来实现，包括筛选表达基因、表达蛋白和蛋白活性(如酶活性)、调节所需的细胞表型以及直接在生物体上进行体内表型研究。Table 1列出了这些试验背后的通用原则。体内试验能够提供代谢物调控表型的直接评价，但通量较低。细胞试验能够提供高通量，，可分析细胞形态、生物物理细胞功能、化学和生理特性，并能够利用荧光或发光技术等多种分子生物学工具。在代谢物-表观基因组和代谢物-基因组相互作用领域，研究工具主要包括染色质免疫沉淀后测序(ChIP-seq)和亚硫酸盐测序检测甲基化DNA等核苷酸测序方法。近年来，化学蛋白质组学开始被用于在体外研究代谢物-蛋白质和小分子-蛋白质相互作用，如热蛋白组分析、 有限蛋白水解分析（Lip）和基于氧化速率的蛋白稳定性评估方法（SPROX）。除了体内和体外的筛选策略，基于计算机的预测方法也被用来评价代谢物的生物活性。例如，神经网络可以通过ChEMBL数据库中提供的小分子的活性、物理化学性质和结构信息的大数据集来训练。活性代谢物的筛选还可以从认知计算中受益。例如，使用自然语言处理Medline中现有的文献摘要以识别新的有害分子，如有毒物质，有助于功能阐述。

生物活性代谢物非常丰富，可以改变多种生物的表型，从相对简单的原核生物到人类细胞。因此，生物活性代谢物具有广阔的应用前景（图5a）。例如，代谢物可以被用于生物技术产品如百日咳杆菌毒素或大肠杆菌蛋白生产。哺乳动物微生物组也可以被小分子代谢物调控，或者反过来微生物来源的代谢物（如丁酸）能够被用于影响宿主的生理机能，包括免疫细胞和饱腹感。在免疫代谢新兴领域，前列腺素E2已被证明可以调节免疫应答。调控前列腺素E2的合成、降解和/或细胞反应可以作为一种治疗手段来驱动特异性免疫应答。在器官水平上，代谢物可以控制病理生理反应，如通过白三烯控制哮喘。在复杂生物体中，营养干预，如补充ω-3脂肪酸被证明有多重好处。ω-3脂肪酸可改善类风湿性关节炎患者病情或显著降低高甘油三酯患者的心血管事件。除了食物补充外，生物活性代谢物还可用于药理学和毒理学领域，以减少化合物毒性（如用乙醇降低甲醇中毒毒害，使用2-巯基乙酸钠清除特定化疗或扑热息痛中毒的毒性代谢物），或利用药物与内源性代谢物类的协同作用来提高治疗效果。即使是非常简单和便宜的代谢物，如谷氨酰胺，也可以用来治疗复杂的疾病如镰状细胞贫血症，该物质已进入III期临床试验。这些示例表明，利用生物活性代谢物来调节生物过程、诱导细胞代谢状态的变化(如驱动细胞活化、分化或增殖)以及驱动复杂的组织功能具有广泛的适用性。

值得注意的是，代谢物的作用是由环境决定的，与之相关的表型可能在很大程度上随所应用的生物系统而变化。α-酮戊二酸就是一个突出的示例（图5b）。在细菌中，它调节葡萄糖的代谢和摄取；在秀丽线虫中，α-酮戊二酸负反馈调节线粒体呼吸、ATP生产和自噬来延长寿命；在胚胎干细胞中，α-酮戊二酸通过调节组蛋白和DNA甲基化来调控干细胞多能性；在免疫细胞中，它通过调节mTOR信号并促进TH1细胞相关转录因子T- BET的表达，支持初始T细胞向T helper 1 (TH1)细胞分化，从而调控TH1与调节T细胞（Tregs）之间的平衡。α-酮戊二酸还可结合GPCR OXGR1(主要在肾中)，促进盐转运蛋白的合成增加，驱动盐重吸收和调节盐平衡及血压。临床上，α-酮戊二酸被报道可通过ERK激酶等诸多过程来促进伤口愈合。

代谢物可以作为表型的调控者，而不仅仅是表型状态的生物标志物，代谢物调控表型的概念随着代谢组学的研究获得全新的关注。活性代谢组学被用于描述如何使用代谢组学技术来鉴定生物活性代谢物，并强调代谢组学已经超越了单纯的作为发现生物标志物的方法。活性代谢组学的目标是为阐明代谢物上下游依赖关系提供框架。不过，目前活性代谢组学面临的挑战是将代谢体与生物体的表型状态以系统和定量的方式进行关联。这一目标需要生成全面的代谢组学和表型数据集，并以稳健的方法来整合多组学数据。活性代谢组学还需进一步增强其稳健性，可以通过计算整合代谢组学、系统生物学和生物活性数据，使我们能够识别最有潜力调节生物过程和细胞生理学的代谢物。这些技术的最终目标是将活性代谢组学作为系统发现生物活性代谢物的主要工具，而不是使用过度集中的方法(即化学蛋白质组学)或繁琐的方法(即分馏)。一旦通过鉴定调节系统表型的活性分子框架实现这一目标，活性代谢组学就有可能影响多个生命学科。