绘谱导读 | 少了这些氨基酸大脑发育成问题！肠菌代谢物在肿瘤治疗中屡立奇功（202304）

2023-05-10 19:19:40, 麦特绘谱麦特绘谱生物科技(上海)有限公司

导读聚焦

● 氨基酸代谢新发现

在哺乳动物体内部分氨基酸是我们无法自己合成、必须通过食物获得，本期一篇Cell文章通过分析围产期大脑不同发育阶段的代谢状态，发现一组氨基酸（包括色氨酸、酪氨酸、异亮氨酸等8种）对出生后的神经发育期尤为重要，一旦神经元缺乏它们，小鼠不仅在出生后大脑发育不良，而且这种异常会伴随终身，导致长期的行为异常。

在哺乳动物体内通常内源性氨基酸构型都是L型，但肠道菌代谢物大部分是D型，宿主是如何应对这些不同构型的代谢物呢？本期PNAS论文通过代谢物分析发现肠道共生菌合成D型氨基酸扰乱哺乳动物L型氨基酸的同手性环境，但宿主对微生物D-氨基酸的主动分解代谢维持了L型氨基酸的系统优势。我们和菌菌的博弈就是道高一尺魔高一丈嘛！

● 益生菌代谢新功能

嗜黏蛋白阿克曼菌（AKK菌）不仅可本身降解黏蛋白，同时可促进机体去生成黏蛋白，被认为粘液周转的关键参与者，可有效调节宿主代谢和免疫系统。本期一篇Nature Communications最新文章详细分析了十种AKK菌的特性糖苷水解酶，确定关键的黏蛋白脱帽岩藻糖苷酶和唾液酸酶对粘蛋白的生长和与黏液相关肠道细菌的营养共享至关重要。

Cell的一篇论文证实益生菌罗伊氏乳杆菌（Lr）易位到黑色素瘤中，通过其释放的膳食色氨酸分解代谢物I3A，局部促进产生干扰素γ的CD8 T细胞，从而增加免疫检查点抑制剂（ICI）的疗效。

● 结直肠癌-菌群干预新机制

宿主-菌群的代谢相作在结直肠癌的发生中起着关键作用。然而其中的机制尚不明朗。本期Nature Communications最新文章发现AA合成途径中的限速酶Delta-5去饱和酶FADS1-花生四烯酸AA轴通过调节革兰氏阴性菌的肠道微生态增强花生四烯酸代谢促进CRC发展的新机制。

另一篇Cell Metabolism论文证实在结直肠肿瘤发生过程中，宿主的尿素循环代谢被显著激活，同时宿主中缺乏具有解脲能力的有益细菌。使用尿素循环抑制剂，或基于双歧杆菌的益生菌干预，可缓解尿素介导的小鼠肿瘤发生。

1. Am J Respir Crit Care Med | NRF2激活重新编程氧化代谢缺陷以恢复慢性阻塞性肺病中的巨噬细胞功能

2. Cell | 肿瘤内罗伊氏乳杆菌释放的膳食色氨酸代谢产物促进免疫检查点抑制剂治疗

3. Cell Reports Medicine | 次级胆酸异熊去氧胆酸盐与餐后脂血症、炎症和食欲相关，并在减肥手术后发生变化

4. Cell Metabolism | 由宿主微生物群适应不良引发的尿素循环激活驱动结直肠肿瘤发生

5. PNAS | 哺乳动物维持氨基酸的同手性以对抗共生微生物的手性转化

6. Cell | 大型中性氨基酸调控围产期神经元兴奋性和存活

7. Nature Communications | FADS1-花生四烯酸轴通过改变结直肠癌的肠道微生态来促进花生四烯酸的代谢

8. Nature Communications | Akk菌的唾液酸酶和岩藻糖苷酶对粘蛋白的生长和与黏液相关肠道细菌的营养共享至关重要

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Am J Respir Crit Care Med | NRF2激活重新编程氧化代谢缺陷以恢复慢性阻塞性肺病中的巨噬细胞功能

慢性阻塞性肺病（COPD）是全球第三大死因，但目前还没有显著有效的治疗方法。本研究发现在COPD中，肺泡和单核细胞来源的巨噬细胞在胞葬作用和吞噬作用方面存在固有的缺陷，这是因为氧化和糖酵解储备能力的丧失驱动的代谢可塑性受损。通过激活抗氧化转录因子NRF2能够纠正COPD巨噬细胞中的ME1表达，并恢复其代谢可塑性和功能。

1. 对COPD患者和健康对照组的肺泡巨噬细胞（AM）进行转录组分析。结果显示COPD AM中ATP丰度显著改变，同时能量充电状态（ATP：ADP）降低。然后用海马分析来确定COPD AM中观察到的能量状态改变是由于氧化还是糖酵解代谢的变化。结果显示暴露于代谢应激源后COPD AM氧化和糖酵解储备能力都有一定的损失。

2. 对静止时的COPD和健康供体巨噬细胞进行了代谢组分析，直接地识别COPD中的代谢变化。与健康对照细胞相比，COPD MDM（外周单核细胞衍生巨噬细胞）和AM均显示糖酵解中间体的丰度显著增加，氧化代谢的缺陷延伸到与NADPH生成酶ME1（苹果酸酶1）的表达缺陷相关的氧化还原平衡受损，ME1是抗氧化转录因子NRF2（核因子红系2相关因子2）的已知靶点。

3. 对接受KI-696治疗的COPD患者的AM进行了基于LC-MS的代谢组学分析，并将其与未治疗的COPD和健康对照的AM进行了比较。发现未经治疗的COPD AM中KI-696介导的NRF2激活可以显著增加所有TCA循环中介体的丰度，并恢复部分细胞能量。

参考文献

NRF2 Activation Reprograms Defects in Oxidative Metabolism to Restore Macrophage Function in Chronic Obstructive Pulmonary Disease. Am J Respir Crit Care Med. 2023.

Cell | 肿瘤内罗伊氏乳杆菌释放的膳食色氨酸代谢产物促进免疫检查点抑制剂治疗

癌症患者使用益生菌的人数正在增加，包括那些接受免疫检查点抑制剂（ICI）治疗的患者。我们的研究表明，益生菌罗伊氏乳杆菌（Lr）易位到黑色素瘤中，通过其释放的膳食色氨酸分解代谢物吲哚-3-甲醛I3A，局部促进产生干扰素γ的CD8 T细胞，从而增强ICI的疗效。

1. 对小鼠饲喂Lr，发现其能够显著抑制肿瘤生长，并延长小鼠在可触及肿瘤建立后的生存期。通过流式细胞术分析肿瘤细胞移植早期、中期和晚期的免疫反应，发现Lr治疗使肿瘤微环境（TME）向抗肿瘤方向转变，其特征是产生干扰素γ（IFNg）的CD4 Th1和CD8 Tc1细胞积极增殖。

2. 体内消耗研究表明，Lr介导的肿瘤抑制需要CD8，而不是CD4。此外，将TCRβ+ CD8 T细胞过继转移到缺失重组激活基因的免疫缺陷小鼠中，足以挽救Lr介导的肿瘤抑制并延长生存时间。

3. 利用一种缺乏芳香族氨基酸转氨酶I/II类基因（Lr ΔArAT）的转基因Lr菌株处理小鼠，限制其将膳食色氨酸（Trp）分解为吲哚衍生物（I3A）的能力。与其相比，Lr WT处理小鼠的肿瘤中AhR活性和I3A丰度显著增加。随后发现口服和肿瘤内注射I3A均可以剂量依赖的方式抑制肿瘤生长并增加生存率，表明I3A可以直接抑制TME内的肿瘤生长。

4. 利用靶向质谱的代谢组学分析方法确定基线I3A血清水平，发现与无应答者相比，ICI有应答者的患者血清中的外源性I3A丰度显著升高。随后评估全身I3A水平生存期的影响。通过按高和低血清I3A水平对患者进行分层，与低I3A水平的患者相比，高系统性I3A的患者表现出显著延长的无进展生存期（PFS）和总生存期。

参考文献

Dietary tryptophan metabolite released by intratumoral Lactobacillus reuteri facilitates immune checkpoint inhibitor treatment. Cell. 2023.

Cell Reports Medicine | 次级胆酸异熊去氧胆酸盐与餐后脂血症、炎症和食欲相关，并在减肥手术后发生变化

胆汁酸(BA)被视为肠道菌群对人体代谢和健康的关键介质，影响脂质代谢；代谢应激、餐后状态、减肥手术之后会改变胆汁酸的水平。为了提高对这些关系的理解，本研究评估宿主遗传、肠道微生物组、减肥手术后和饮食对临床粪便和血清 BA 水平的影响。

1. 首先利用胆汁酸靶向代谢分析技术发现在TwinsUK 和 ZOE PREDICT-1两个队列的初级和次级BA的循环水平在进餐后有所增加。通过ROC分析和Spearman相关性分析，发现TwinsUK人群的粪便、血清异熊去氧胆酸盐（isoUDCA）的AUC（85.2%、75.4%）和相关性系数（0.48、0.39）较高，并在ZOE PREDICT-1队列中得到验证。

2. ZOE PREDICT-1中327女性在经过测试，发现餐后，空腹血清和粪便isoUDCA与餐后血脂之间存在关联；随后在BARIA和TwinsUK队列中得到验证。此外，ZOE PREDICT-1队列的空腹血清和粪便isoUDCA也与餐后炎症相关。在TwinsUK 和 ZOE PREDICT-1中发现菌群和isoUDCA存在显著相关。

3. 使用膳食纤维菊粉干预，发现isoUDCA显著下降。BARIA 队列71例人群经过减肥手术1年后，isoUDCA空腹循环水平显著降低。同时发现isoUDCA与体重或葡萄糖的变化无关；与餐前食欲水平存在显着相关性。

参考文献

The secondary bile acid isoursodeoxycholate correlates with post-prandial lipemia, inflammation, and appetite and changes post-bariatric surgery. Cell Reports Medicine. 2023.

Cell Metabolism | 由宿主微生物群适应不良引发的尿素循环激活驱动结直肠肿瘤发生

宿主-菌群的代谢相作在结直肠癌的发生中起着关键作用。已知结直肠癌 (CRC) 患者肠道菌群失调，然而，关键代谢途径以及有益菌减少与结直肠癌发生之间的潜在机制不明朗。本研究证明了以尿素循环 (UC) 激活为特征的代谢稳态破坏与通过腺瘤到癌序列的结直肠肿瘤发生进展之间的潜在关系。

1. 对临床患者的活检样本进行单细胞测序后发现，相比于结直肠腺瘤 (CRA)，CRC的UC明显增加。高UC评分的CRA表现出更高的恶性转化率和复发率。其中精氨酸酶 2 (ARG2) 重要性得分最高，敲除小鼠该基因显著延长存活时间、减少结直肠肿瘤。小鼠结直肠粘膜的RNA测序表明使用抗生素后有助于富集UC和多胺代谢。

2. 根据CRC宿主UC分值分为高低两组，两组间菌群多样性有显著差别；宏基因组结果表明，相比于CRA患者，双歧杆菌和梭杆菌的比例在CRC患者中更低。代谢组学分析发现双歧杆菌低丰度与多胺水平、CRC患者预后均负相关。

3. PICRUSt2分析发现双歧杆菌低丰度的结直肠粘膜中水解尿素的细菌脲酶（在双歧杆菌中高表达）的丰度显著降低并通过Apc^Min/+小鼠验证。尿素处理的巨噬细胞显着增加了ARG2和ODC1的表达。

4. 尿素处理增加BMDM、PMA诱导的THP-1细胞的多胺水平（腐胺和精胺）。相比于CRA，CRC的巨噬细胞中尿素转运显著增强。对Apc^Min/+小鼠使用DFMO和CB-1158抑制剂，发现肠道肿瘤明显改善，粪便尿素量、血清腐胺和精胺均减少；小鼠补充益生菌后部分逆转高尿素饮食引起的表型，显著减少肠道肿瘤的数量和大小。

参考文献

Urea cycle activation triggered by host-microbiota maladaptation driving colorectal tumorigenesis. Cell Metabolism. 2023.

PNAS | 哺乳动物维持氨基酸的同手性以对抗共生微生物的手性转化

哺乳动物的氨基酸具有系统的同手性——L构型。虽然核糖体蛋白质合成需要对L-氨基酸进行严格的手性选择，但在哺乳动物中，内源性和微生物酶都可将不同的L-氨基酸转化为D-构型。然而，哺乳动物如何处理如此多样的D-构型尚不清楚。本文发现共生菌合成D-氨基酸扰乱哺乳动物L氨基酸的同手性环境，但宿主对微生物D-氨基酸的主动分解代谢维持了L-氨基酸的系统优势。

1. 使用代谢组学、16s rRNA测序、WB验证、qPCR分析等技术对对小鼠粪便和尿液样本研究发现，哺乳动物通过立体选择性分解代谢和尿排泄D-对映体来维持L-氨基酸对微生物D-氨基酸的系统优势。

2. 小鼠体内除D-丝氨酸外，大多数D-氨基酸源于微生物；分解代谢对消除各种微生物D-氨基酸至关重要，而生理条件下，排泄到尿液是次要选择。

3. 检测胚胎移植母鼠和胎儿的氨基酸对构象，发现氨基酸同手性的积极调控依赖于产前母体分解代谢，出生后随着共生微生物生长，母体分解代谢发育转变为幼年分解代谢。

4. 对24个人的粪便、血浆和尿液中19种氨基酸的对映体进行了定量分析，结合16s rRNA测序，结果表明，尽管共生细菌可以进行手性转化，但人体体液中的氨基酸也具有手性平衡。

参考文献

Mammals sustain amino acid homochirality against chiral conversion by symbiotic microbes. PNAS. 2023.

Cell | 大型中性氨基酸调控围产期神经元兴奋性和存活

SLC7A5是大型中性氨基酸 (LNAA，包括苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸等) 的转运蛋白，其突变与自闭症（ASD）显著相关。然而，这些氨基酸的水平是否以及如何随着时间在大脑中变化，以及其数量的波动如何影响神经发育的进程尚不清楚。本研究通过代谢组学揭示大脑在发育过程中经历代谢重编程，不同时期代谢状态不同，其中LNAA对于围产期神经元代谢状态、存活至关重要。

1. 对小鼠3个时间点（胚胎14.5天(E14.5)，出生后2天(P2)和出生后40天(P40)）的大脑皮层进行代谢组学分析，共获得346种代谢物，相对于E14.5时期，在P2时期嘌呤和磷酸戊糖通路代谢物增加，氨基酸类降低；在P40 时期，谷氨酰胺和谷氨酰胺增加，氨基酸类也降低；且支链氨基酸类随时间逐渐下降。

2. 特异性敲除神经元上SLC7A5后对氨基酸的代谢影响最大，在P2时期LNAA水平显著增加，LNAA在细胞外累积，而不被神经细胞消耗；SLC7A5敲除小鼠的大脑皮层厚度显著减少，大脑重量也降低；在SLC7A5基因突变的儿童呈现大脑体积的萎缩。

3. 在P5和P40时期，SLC7A5敲除小鼠中SLC7A5突变表型神经元数量显著减少，表明SLC7A5基因突变相关的细胞凋亡是依赖于细胞自主调控的；P6-7时期，SLC7A5敲除小鼠皮层锥体神经元放电活性降低，影响早期发育期神经元兴奋性；且SLC7A5敲除后引起小鼠运动和社交障碍。

参考文献

Large neutral amino acid levels tune perinatal neuronal excitability and survival. Cell. 2023.

Nature Communications | FADS1-花生四烯酸轴通过改变结直肠癌的肠道微生态来促进花生四烯酸的代谢

结直肠癌患者的肠道微生物群落发生显著改变，但特定的肠道微生物如何在CRC组织中定植和繁殖尚不清楚。本研究通过鉴定CRC细胞中的FADS1（AA合成途径中的限速酶Delta-5去饱和酶）- AA（花生四烯酸）轴，发现该轴通过创建高AA微环境来调节富集革兰氏阴性细菌的肠道微生态从而促进AA向PGE2的转化并最终促进肿瘤生长。

1. 小鼠结肠组织中的AA水平随结直肠癌发展而升高，AA的喂养促进肿瘤发展并显著增加了革兰氏阴性细菌的比例，使用抗生素氨曲南去除革兰氏阴性菌可以完全消除AA的促瘤作用，表明AA通过创造革兰氏阴性的特殊肠道微生物群环境来促进CRC发展。

2. 发现上调的AA水平与FADS1表达呈正相关，敲低FADS1可显著降低AA水平、抑制原位肿瘤生长，并降低原位模型中革兰氏阴性细菌的比例，表明FADS1介导了结直肠癌中的AA合成。随后通过体内外实验表明FADS1通过创建高AA微环境来调节革兰氏阴性菌微生态。

3. 进一步探讨FADS1-AA轴与结直肠癌过程中肠道微生物改变的深层关系，发现FADS1-AA轴诱导的富集革兰氏阴性微生物涉及AA向PGE2的转化，并促进CRC细胞增殖。结合FADS1表达的GSEA富集分析结果，随后验证了Toll 样受体TLR4参与了革兰氏阴性微生物介导的PGE2产生。通过临床队列揭示，FADS1上调是结直肠癌的早期事件，可预测预后不良。

参考文献

FADS1-arachidonic acid axis enhances arachidonic acid metabolism by altering intestinal microecology in colorectal cancer. Nature Communications. 2023.

Nature Communications | Akk菌的唾液酸酶和岩藻糖苷酶对粘蛋白的生长和与黏液相关肠道细菌的营养共享至关重要

Akkermansia muciniphila（AKK）菌被证明可促进宿主的粘蛋白分泌，但该过程的酶促机制尚未清晰。本研究通过研究唾液酸和岩藻糖在AKK菌生长中的作用及其通过共培养产生丁酸盐的现象，揭示了AKK菌引发的粘蛋白O-聚糖降解以及粘液相关细菌之间营养共享的新机制。

1. 生化分析提示AKK菌可编码的六种岩藻糖苷酶和四种唾液酸酶，其中Am GH29C、AmGH95B、Am GH33A、Am GH33B和AmGH181的活性较强，可去除粘蛋白聚糖表面的保护层。

2. 进一步的结构分析表明上述六种糖苷水解酶具有特异性和模块化排列，可以完全去除粘蛋白岩藻基取代基，包括从高度硫酸化的基序中去除。

3. 通过细胞层面的定位分析，发现细胞附着唾液酸酶和岩藻糖苷酶可与黏蛋白结合，对AKK菌在粘蛋白上的生长中起重要作用。

4. 生长测定显示，唾液酸和岩藻糖都不会促进AKK菌的生长，而可以促进共培养的梭状芽胞杆菌产生丁酸盐，揭示了嗜粘杆菌的岩藻糖苷酶和唾液酸酶对粘蛋白的生长至关重要，并有助于与产丁酸盐的梭菌共享营养。

参考文献

Sialidases and fucosidases of Akkermansia muciniphila are crucial for growth on mucin and nutrient sharing with mucus-associated gut bacteria. Nature Communications. 2023.

END

往期回顾

1. 绘谱导读 | 肠菌吃掉雌激素致女性抑郁！咖啡、茶对肠道健康的影响或许被低估了（202303）

2. 绘谱导读 | 只输液不吃东西也会影响肠道菌还导致糖尿病?大明星AKK菌产生特定脂质调节免疫

3. 绘谱导读 | 2023年1月代谢组学文献精选

4. 绘谱学堂 | 洞察动物研究前沿：一作原创解析胆汁酸与肠道健康

麦特绘谱生物科技（上海）有限公司（Metabo-Profile）汇聚了从事代谢组学和转化医学研究近二十年的海内外专家团队，专注于精准医学和健康领域的高端代谢组学技术服务，是一家集科技服务、健康检测及产品研发于一体的国家级高新技术企业、上海市“专精特新”企业，已成为全球代谢组学研究者的优选合作伙伴。公司拥有自建1500+功能性小分子代谢物数据库JiaLib^TM、国际领先的代谢组学分析技术平台和全自动化TMBQ定量数据处理软件、代谢组学数据在线分析平台iMAP。麦特绘谱已为数百家三甲医院、科研院所和企业提供高端代谢组学一站式整体解决方案，协助客户与合作伙伴发表SCI文章240多篇，累计影响因子2300+，包括Science, Cell Metabolism, Immunity, Gut, Signal Transduction and Targeted Therapy, Science Translational Medicine等顶级期刊。