绘谱导读︱12月代谢组学文献精选

心力衰竭（HF）是一种复杂的慢性心脏病。HF的发生通常以病理性心肌肥大为先导征兆。在HF期间，心肌细胞失去代谢灵活性，代谢失衡，从脂肪酸氧化（FAO）转向糖酵解，糖酵解丙酮酸优先转化成乳酸，并减少对乳酸的消耗。该代谢平衡称为丙酮酸-乳酸轴。研究表明线粒体丙酮酸载体（MPC）和细胞乳酸转运蛋白单羧酸盐转运蛋白4（MCT4）是此代谢轴中的关键节点。然而，丙酮酸-乳酸轴如何调节心脏肥大和心力衰竭仍不清楚。

(1) 收集临床中对左心室辅助装置(LVAD)应答和无应答的HF患者心肌组织样本，其中应答者组患者MPC1水平增加；构建心脏特异性MPC1（MPC1^CKO）敲除小鼠模型，结果显示成年小鼠心脏中MPC1的缺失足以引起心肌肥厚和致命性心力衰竭；

(2) 对MPC1^CKO小鼠转录组分析，发现MPC缺失引起代谢基因表达的早期代偿性改变，最终这些改变失败并导致了与HF和死亡同时发生的明显的线粒体缺陷；

(3) 用H9c2培养细胞，通过抑制/过表达MPC，发现MPC功能下降和丙酮酸-乳酸盐轴的扰动是药物诱导的心肌肥大的常见下游介质。葡萄糖代谢示踪分析发现，糖酵解碳通量转向乳酸生成，而减少线粒体丙酮酸摄取也可以在体外引起心肌细胞肥大；

(4) 开发出一种新型高效特异性MCT4抑制剂VB124，VB124可特异性抑制乳酸外排，恢复线粒体丙酮酸代谢，进而逆转药物诱导的心肌细胞肥大。

The pyruvate-lactate axis modulates cardiac hypertrophy and heart failure. Cell Metabolism. 2020. doi:10.1016/j.cmet.2020.12.003.

在过去的200年内，人们对果糖的摄入量增长了100倍，其消耗增加与肥胖、代谢综合征以及多种肿瘤的发生发展密切相关。有研究发现，急性髓性白血病（AML）患者骨髓中果糖浓度异常升高，提示果糖代谢可能发生失调，本研究揭示了在葡萄糖受限的条件下，AML细胞代谢果糖的分子机制。

(1) 利用四种AML细胞系进行高葡萄糖或高果糖培养基培养，以及¹³C示踪标记，发现在 [2-¹³C]果糖培养条件下，细胞中被标记的甘氨酸和丝氨酸的水平要显著高于[2-¹³C]葡萄糖处理；

(2) 检测不同细胞系中果糖吸收、相关代谢酶的表达量，发现果糖转运体GLUT5在不同细胞之间存在很大差异，并且GLUT5低表达的AML细胞在高果糖的培养条件下更倾向于使果糖进入丝氨酸合成途径（SSP）；

(3) 从AML患者体内分离出的肿瘤细胞其GLUT5也是低表达，并且与体外培养的GLUT5低表达细胞系呈现出相似的代谢方式，而正常的造血干细胞/祖细胞并不具备这种代谢特征；

(4) 在高果糖培养条件下，细胞中NAD⁺/NADH比例显著升高，进一步实验证明相较于高葡萄糖，高果糖培养条件下NAD⁺/NADH比例较高，是果糖进入SSP途径的主要驱动因素；

(5) 模拟白血病患者高果糖（>1 mM）的骨髓微环境，给小鼠腹腔注射果糖，研究发现敲低PHGDH或用PHGDH抑制剂处理均能有效抑制小鼠体内移植瘤的生长。此外，患者源的异种移植模型也验证了这一结论。

High Fructose Drives the Serine Synthesis Pathway in Acute Myeloid Leukemic Cells. Cell Metabolism. 2020. doi: 10.1016/j.cmet.2020.12.005.

代谢紊乱严重影响健康状态，肠道菌群是一类关键的参与者，其利用外源食物作为底物或内源性宿主化合物产生一系列代谢物，从而与宿主进行互作。短链脂肪酸（SCFA）、支链氨基酸（BCAA）、氧化三甲胺（TMAO）、色氨酸及吲哚衍生物等特定肠道菌群代谢产物与代谢失调的发病机制密切相关。本综述详细介绍了这些菌群代谢产物在代谢紊乱中的作用机制，并讨论通过靶向菌群代谢产物及其受体以治疗代谢疾病的可能。

(1) 一系列动物研究表明饮食和肠道菌群在代谢紊乱的发病机制及其纵向传播密切相关；临床上，粪菌移植(FMT)在代谢综合征患者中表现出一定的积极作用，证明肠道微生物在发病机制中的参与及其潜在的治疗作用；

(2) 胆汁酸（BAs）代谢在代谢综合征(MetS)患者中发生显著改变，并与肝脏脂肪变性和糖脂代谢异常有关。此外，BAs对肠上皮功能也具有重要影响；SCFAs参与维持肠黏膜完整性、改善糖脂代谢、控制能量消耗、调节免疫系统和炎症反应；

(3) BCAAs通过调节蛋白质合成、糖脂代谢、胰岛素抵抗、肝细胞增殖和免疫，在维持哺乳动物体内稳态方面具有至关重要作用。TMAO通过诱导高脂血症、氧化应激及促炎因子产生增加心血管疾病风险；

(4) 色氨酸代谢紊乱与肝脏炎症、肝脏脂肪变性及胰岛素抵抗相关。咪唑丙酸（IMP）最近被发现在2型糖尿病中增加，并与胰岛素抵抗相关，此外，IMP也会影响宿主炎症和代谢；

(5) 粪菌移植、胆汁酸受体激动剂、补充SCFA或BCAA等方式可调控菌群代谢产物，从而靶向菌群代谢产物及其受体发挥具有治疗代谢疾病的靶潜力。

Gut microbiota-derived metabolites as central regulators in metabolic disorders. Gut . 2020. doi:10.1136/gutjnl-2020-323071.

类风湿关节炎（RA）是一种典型的自身免疫性疾病，在发病前期，患者自身免疫耐受已经开始受到破坏，自身抗体逐渐产生并最终导致免疫细胞浸润和炎症。T细胞是自身抗体产生并维持滑膜细胞增殖、新血管生成以及软骨和骨侵蚀所需的关键促炎驱动器。近年来，T细胞能量代谢受到自身免疫疾病研究者的重点关注。

(1) 对线粒体关键代谢中间产物定量检测，结果发现RA患者T细胞线粒体功能降低，其中琥珀酸浓度降低，α-酮戊二酸、柠檬酸和AcCoA大量积累。在健康T细胞中，琥珀酸/α-酮戊二酸比值约为10，而在RA患者T细胞中，琥珀酸/α-酮戊二酸比值降至2。RA患者T细胞线粒体功能异常对氧化磷酸化和丙酮酸氧化产生的能量产生影响；

(2) 对13种TCA循环代谢酶进行转录分析，其中琥珀酰辅酶A连接酶（SUCLG2）转录在RA患者T细胞中受到显著抑制。其可将α-KG转化为琥珀酰-CoA，随后转化为琥珀酸。在人源化小鼠模型中，T细胞中过表达SUCLG2，可显著降低了滑膜组织的炎症反应。此外，RA患者T细胞中SUCLG2蛋白浓度显著降低，表明α-酮戊二酸向琥珀酸转化受阻，导致过量乙酰辅酶A积累；

(3) 在乙酰辅酶A 高表达的RA患者 T细胞中，微管蛋白的乙酰化可稳定微管细胞骨架并将线粒体定位在细胞核周围，从而导致细胞极化，尾足形成，T细胞迁移和组织侵袭。通过敲除T细胞微管蛋白乙酰转移酶来抑制微管蛋白乙酰化，可以抑制滑膜炎；

(4) 在组织中，缺乏SUCLG2的T细胞可作为产生细胞因子的效应细胞发挥功能，并具有高度炎作用，且补充SUCLG2可以逆转这一现象。

Succinyl-CoA Ligase Deficiency in Pro-inflammatory and Tissue-Invasive T Cells. Cell Metabolism. 2020. doi:10.1016/j.cmet.2020.10.025.

重度抑郁症（MDD）是一种常见的精神疾病。随着社会的发展和竞争的加剧，其发病率逐年上升。目前，MDD发病机制仍不明确，且临床上缺乏可用的诊断分子标志物。已有报道表明肠道微生物紊乱和MDD相关，但MDD的肠道病毒组、细菌组和粪便代谢组如何变化，以及它们间的相互作用仍知之甚少。

(1) 研究纳入311例受试者（156例MDD患者和155例健康人），分为测试集（236例）和验证集（75例）。采用宏基因组和代谢组学方法对粪便样本进行检测；

(2) 宏基因组和代谢组结果显示MDD中有3个噬菌体、47个菌种和50个粪便代谢物存在显著变化。MDD患者肠道中拟杆菌属丰度增加，而布劳特氏菌属和优杆菌属丰度减少。MDD组有16个代谢物富集、34个代谢物降低，主要参与氨基酸、核苷酸、碳水化合物和脂质代谢；

(3) 肠道细菌和粪便代谢物形成了强烈而广泛的共表达网络，噬菌体和细菌或代谢物只有轻度的相关性；差异基因和代谢物一致性地富集到了氨基酸代谢通路（GABA、苯丙氨酸和色氨酸），提示肠道菌氨基酸代谢紊乱和MDD存在潜在关联；

(4) 噬菌体、微生物和代谢标记物各两种所组成的生物标志物组可有效诊断MDD，其中训练集AUC=0.98，测试集AUC=0.90。

Landscapes of bacterial and metabolic signatures and their interaction in major depressive disorders. Sci Adv. 2020.  doi: 10.1126/sciadv.aba8555.

非酒精性脂肪肝(NALFD)是最常见的慢性肝病，影响全球25%的人口，且没有批准的药物进行治疗。有研究报道氨基酸代谢失调在NAFLD发病机制中发挥作用，并且在NALFD患者体内循环甘氨酸水平降低，但降低的原因、其作为致病因素的作用以及治疗潜力仍不清楚。

(1) 对NAFLD患者和小鼠肝脏进行靶向代谢组学分析，发现血浆甘氨酸水平显著降低，而其前体丝氨酸、苏氨酸和丙氨酸增加，表明甘氨酸生物合成受损。其中甘氨酸生物合成相关基因受到抑制，主要是丙氨酸-乙醛酸转氨酶1 (AGXT1)；

(2) 将Agxt1基因敲除和通过饮食的方式来限制甘氨酸可用性导致了食源性高脂血症及脂肪性肝炎，肝脏特异性甘氨酸生物合成酶AGXT1在NAFLD中被抑制，其缺乏加速了饮食诱导的NASH；

(3) 探索具有降脂/降糖双重属性的甘氨酸类物质是否可以作为NALFD的潜在治疗方法，结构发现一种三肽(甘-甘-亮，DT-109)，可在高脂肪、胆固醇和果糖饮食诱导的非酒精性脂肪性肝炎（NASH）小鼠模型中改善身体组成、降低循环葡萄糖、脂类、转氨酶、促炎细胞因子和脂肪性肝炎；

(4) 采用宏基因组、转录组和代谢组学来探索潜在作用机制，发现NASH小鼠中狭义梭菌属（Clostridium sensu stricto）丰度显著增加，而经DT-109治疗后降低。DT-109诱导肝FAO通路、降低脂毒性并促进谷胱甘肽的从头合成。反过来，DT-109通过抑制NF-κB靶基因和TGFβ/SMAD信号转导，减弱了炎症浸润和肝纤维化。与对肠道微生物组的影响不同，DT-109诱导的FAO和谷胱甘肽合成和NASH无关。

Glycine-based treatment ameliorates NAFLD by modulating fatty acid oxidation, glutathione synthesis, and the gut microbiome. Sci Transl Med. 2020 . i: 10.1126/scitranslmed.aaz2841. 

肥胖诱发机体代谢的系统性紊乱，导致血脂异常、高胆固醇血症、胰岛素抵抗、激素水平失衡、慢性炎症等。有研究表明肥胖相关肠上皮转录和表观遗传的细胞改变，有利于结直肠肿瘤的发生。以往对肥胖和癌症的研究主要集中在肿瘤的内在效应或内分泌肿瘤细胞调节轴上，而肥胖诱导的全身代谢改变如何影响局部肿瘤微环境(TME)中的免疫细胞尚不清楚。

(1) 为了揭示肥胖对癌症的影响，研究团队对不同癌症类型的小鼠模型进行研究，结果表明，高脂饮食（HFD）诱导的肥胖通过损害TME中CD8⁺T细胞反应加速肿瘤生长；

(2) HFD减少了TME中CD8⁺T细胞的数量，同时肿瘤中剩余CD8⁺T细胞活性降低，而把细胞分离在体外培养，它们又具有正常活性。表明在HFD环境下CD8⁺T细胞增殖和状态的变化的体内特异的，并没有涉及T细胞激活内在缺陷，是TME中某些物质削弱了CD8⁺T细胞功能；

(3) 对常规饮食（CD）和HFD MC38肿瘤浸润CD45⁺白细胞进行单细胞RNA测序，绘制肿瘤细胞转录图谱，结果显示肿瘤免疫浸润整体代谢重塑。TME中免疫细胞对HFD进行独特的代谢适应，而T细胞的差异最显著，中心碳代谢途径表达发生了改变；

(4) 肿瘤和CD8⁺T细胞对肥胖表现出独特的代谢适应性。肿瘤细胞适应增加脂肪酸的利用，而CD8⁺T细胞则不会，肿瘤细胞对在TME中脂肪酸摄取的增强使T细胞缺乏脂肪酸，从而损害CD8⁺T细胞的浸润和功能；

(5) 在癌细胞中过度表达PHD3（肿瘤细胞主要代谢调节因子），显著降低了肿瘤细胞对脂肪酸的摄取，表明在肿瘤细胞中维持高PHD3表达可改善HFD小鼠的抗肿瘤T细胞反应，并减轻HFD对抗肿瘤免疫的影响。多条证据显示HFD诱导的肿瘤局部代谢重组改变了TME中燃料分配，并降低抗肿瘤免疫。

Obesity Shapes Metabolism in the Tumor Microenvironment to Suppress Anti-Tumor Immunity. Cell. 2020  doi: 10.1016/j.cell.2020.11.009.

循环代谢物（尤其是葡萄糖）调节胰岛素分泌对于控制哺乳动物体内代谢平衡至关重要。控制葡萄糖刺激的胰岛素分泌（GSIS）的核心机制主要是葡萄糖通过糖酵解和三羧酸（TCA）循环代谢产生ATP，从而抑制ATP敏感性钾（KATP）通道，导致电压门控的Ca²⁺通道和Ca²⁺内流激活，释放含胰岛素的分泌颗粒。谷氨酰胺刺激的胰岛素分泌则是通过谷氨酸脱氢酶（GDH）与亮氨酸或亮氨酸类似物（2-氨基双环[2,2,1]-庚烷-2-羧酸（BCH））的激活等进行调控。但其中机制尚未完全了解。

(1) 用5mM [¹³C₅]Gln+BCH（GDH活化剂）孵育INS 832/13细胞或大鼠原代胰岛细胞2小时并对中间代谢物进行检测分析，结果表明用Gln+BCH刺激胰岛素分泌过程中，原代胰岛细胞中TCA循环途径的氧化和还原过程均发生改变，但还原途径存在明确特异性诱导；

(2) 用[1-¹³C]Gln进行通量分析，与单独用[1-¹³C]Gln处理相比，[1-¹³C]Gln+BCH孵育强烈刺激胰岛素分泌，并且[1-¹³C]Gln+BCH处理的细胞中柠檬酸M1显著增加，表明[1-¹³C]Gln参与还原性TCA循环代谢通路；

(3) 与2.5mM Glucose +2mM[1-¹³C]Gln处理的细胞相比，12 mM Glucose与2 mM[1-¹³C]Gln处理的细胞中胰岛素分泌和[1-¹³C]Gln到M1柠檬酸的流量出现协同增加，表明在832/13细胞和原代胰岛细胞中Glucose刺激通过还原性TCA循环代谢激活Gln向柠檬酸的转化；

(4) 对Glucose或Gln刺激胰岛素分泌过程中氧化和还原TCA循环通量进行计算，结果显示在燃刺激胰岛素分泌过程中，氧化通量对总TCA循环通量的相对贡献由≥85%下降到73％，而还原通量由≤10%增加到27％；

(5) siRNA转染832/13细胞抑制IDH2，可导致胰岛素分泌显著减少，同时M1柠檬酸标记显著降低约50％。而敲低IDH2后葡萄糖刺激胰岛素分泌过程中[1-¹³C] Gln还原代谢为柠檬酸盐也减弱了42％，表明siRNA介导的IDH2通过抑制Gln向柠檬酸的还原代谢，减弱了葡萄糖和Gln + BCH刺激的GSIS；

(6) 用10 mM IDH2抑制剂（AGI6780）处理832/13细胞或原代大鼠胰岛均会强烈抑制Gln + BCH和葡萄糖刺激的GSIS；AGI6780处理导致832/13细胞NADPH水平和NADPH:NADP比值急剧下降，并且NADPH水平下降伴随着新生脂肪生成的减少；AGI6780会影响832/13细胞中的蛋白质SUMO酰化；

(7) 注射AGI6780的小鼠对葡萄糖丸没有明显的胰岛素分泌反应，而对照组小鼠在10和30分钟胰岛素显著升高。表明IDH2抑制剂AGI6780可以抑制小鼠GSIS。

Reductive TCA cycle metabolism fuels glutamine- and glucose-stimulated insulin secretion. Cell Metabolism. 2020 doi: 10.1016/j.cmet.2020.11.020.

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