绘谱导读 | 「202305」益生菌代谢物抗癌“实锤”了，吲哚-3-乳酸可以通过两种代谢调控方式干预结直肠癌

2023-06-12 14:49:47, 麦特绘谱麦特绘谱生物科技(上海)有限公司

导读聚焦

MAY.

●来自益生菌的抗结直肠癌明星代谢小分子——吲哚-3-乳酸（indole-3-lactic acid，ILA）

临床发现服用他汀类药物与低结肠发病率密切相关，其预防肿瘤的原因何在？本期Nature Microbiology论文终于找到源头：阿托伐他汀可使肠道罗伊氏乳杆菌水平增加，其色氨酸分解产物ILA丰度的增加， ILA可通过下调IL-17信号通路，并靶向核受体RAR相关孤儿受体γt（RORγt）来抑制TH17细胞分化，从而抑制肿瘤发生。

吲哚-3-乳酸（indole-3-lactic acid，ILA）是某些乳杆菌通过代谢色氨酸产生的吲哚类代谢物。有关吲哚类代谢物与肿瘤的正反关联一直存在争论，不过近期吲哚类代谢抗肿瘤研究频频出现，如这一篇：Nature | 菌群代谢物3-IAA有望大大提升胰腺癌化疗疗效！

本期Cell Metabolism一篇论文证实植物乳杆菌及其衍生代谢产物吲哚-3-乳酸（indole-3-lactic acid，ILA）通过调节抗肿瘤侵润CD8+T细胞的表观遗传学机制改善结直肠肿瘤。

● 小分子相关代谢酶和转运体也有大作用

IRG1已被证实是一种免疫代谢的调节剂，通过产生明星代谢物衣康酸干预多种疾病。本期一篇Science Advances论文将IRG1的作用再添一笔，发现靶向IRG1可逆转肿瘤相关巨噬细胞的免疫抑制功能并增强癌症免疫治疗。

GAPDH（甘油醛-3-磷酸脱氢酶）是细胞能量代谢中最重要的酶之一，催化甘油醛-3-磷酸发生氧化磷酸化，形成烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NADH)。本期Nature Communications发现的一项研究发现，嗜中性粒细胞产生嗜中性粒细胞胞外陷阱 (NETs) 水平在新冠重症患者中增加，GAPDH被证实可抑制NETs的产生。

FLVCR1是哺乳动物中主要的高亲和力胆碱转运体，本期Cell Metabolism的另一篇研究通过基因组学、脂质组学和蛋白质组学等方法发现，结合了全胚胎代谢组学研究，发现其介导的胆碱转运对小鼠胚胎发育是必要的。

1. Cell Metabolism | 植物乳杆菌产生的吲哚-3-乳酸通过CD8+T细胞免疫的表观遗传学调节改善结直肠癌的发生

2. Nature Microbiology | 微生物群衍生的色氨酸分解代谢物介导他汀类药物对结直肠癌的化学预防作用

3. Cell Metabolism | 整合遗传分析证实FLVCR1是哺乳动物的质膜胆碱转运蛋白

4. Nature Cell Biology | 脂滴和过氧化物酶体在单不饱和脂肪酸的作用下被共调节以延长寿命

5. Nature Cell Biology | CKB通过非经典功能磷酸化GPX4抑制铁死亡

6. Nature Communications | 代谢组学揭示GAPDH是COVID-19重症患者中性粒细胞胞外陷阱形成的抑制剂

7. Nature Communications | 空间代谢组学揭示糖原是肺纤维化的可操作靶标

8. Science Advances | 靶向IRG1可逆转肿瘤相关巨噬细胞的免疫抑制功能并增强癌症免疫治疗

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# 1

Cell Metabolism | 植物乳杆菌产生的吲哚-3-乳酸通过CD8+T细胞免疫的表观遗传学调节改善结直肠癌的发生

已有证据表明肠道菌群及其代谢物通过调节CD8+T细胞的活性发挥抗肿瘤作用，但它们与宿主表观遗传相互作用的分子机制尚不清楚。本研究发现植物乳杆菌及其代谢产物吲哚-3-乳酸（indole-3-lactic acid，ILA）通过抗肿瘤侵润CD8+T细胞的表观遗传学调控机制改善结直肠肿瘤的发生发展。

分别构建急性小鼠肠炎、结直肠癌和结直肠癌皮下瘤模型，发现植物乳杆菌L. plantarum L168及其代谢物ILA（通过代谢组学分析鉴定）显著改善肠道炎症、抑制结直肠癌肿瘤生长。通过注射抗CD8抗体证实ILA的作用部分是由肿瘤浸润的CD8+T细胞介导的。

接着通过转移经ILA诱导骨髓树突状细胞BMDCs 和CD8+T细胞到荷瘤小鼠证实， ILA可通过增强IL12a增强子区域周围的H3K27ac富集和染色质可及性来促进DCs的IL12a产生，从而启动CD8+T细胞的抗肿瘤活性，同时也可直接增强肿瘤侵润CD8+T细胞分泌IFN-γ+和GzmB+而起到杀伤肿瘤细胞的功能。

构建了高胆固醇饮食(HCD)诱导的结直肠癌模型，发现植物乳杆菌及其ILA可提高由HCD导致的脾脏、肠系膜淋巴结、肠道固有层中IFN-γ+GzmB+CD8+T细胞的下降，而在高脂诱导的皮下瘤模型中，则可显著降低了肿瘤中胆固醇水平并提升上述几种细胞的比例。

进一步通过ATAC-seq 和CUT&Tag等技术证实ILA通过与CD8+T细胞的染色质绝缘子蛋白CTCF相互作用，调控CTCF与转录活性边界的差异结合并降低调节胆固醇代谢的重要基因Saa3的表达，进而降低CD8+T细胞的胆固醇水平，从而增强其细胞的功能，抑制肿瘤生长。

参考文献

Lactobacillus plantarum-derived indole-3-lactic acid ameliorates colorectal tumorigenesis via epigenetic regulation of CD8+ T cell immunity. Cell Metabolism. 2023.

# 2

Nature Microbiology | 微生物群衍生的色氨酸分解代谢物介导他汀类药物对结直肠癌的化学预防作用

流行病学研究表明，他汀类药物的使用与降低结直肠癌（CRC）的发病率之间存在关联，已知他汀类药物与肠道微生物组生态失调有关，但肠道微生物组介导他汀类药物对结直肠癌中的保护作用的机制尚不清楚。本研究证实了微生物群衍生的色氨酸分解代谢物介导他汀类药物对结直肠癌的化学预防作用。

通过回顾性研究队列确定了他汀类药物的使用有助于降低结直肠癌风险，并得到了小鼠模型的验证，随后证实阿托伐他汀的抗癌作用依赖于微生物群。菌群16s测序结果提示阿托伐他汀的使用可使小鼠肠道共生的罗伊氏乳杆菌水平增加，且在临床上罗伊氏乳杆菌与CRC的发展密切相关。

基于模型小鼠发现罗伊氏乳杆菌可以将色氨酸代谢成衍生物，推测富集的罗伊氏乳杆菌的丰度可能是由于肠道中微生物色氨酸利用率的增加所致。代谢组学结果揭示托伐他汀组患者及小鼠粪便中的色氨酸分解产物—吲哚-3-乳酸（ILA）浓度增加最为显著，ILA对模型小鼠及罗伊氏乳杆缺乏细胞的体内外干预实验结果表明，ILA对罗伊氏乳杆菌的抗癌作用至关重要。

体内外研究进一步表明，他汀类药物对CRC的化学预防作用归因于罗伊氏乳杆菌及其色氨酸分解产物ILA丰度的增加，且ILA可通过下调IL-17信号通路，并靶向核受体RAR相关孤儿受体γt（RORγt）来抑制TH17细胞分化，从而抑制肿瘤的发生。

参考文献

Microbiota-derived tryptophan catabolites mediate the chemopreventive effects of statins on colorectal cancer. Nature Microbiology. 2023.

# 3

Cell Metabolism | 整合遗传分析证实FLVCR1是哺乳动物的质膜胆碱转运蛋白

细胞营养平衡部分是由膜载体蛋白介导的，尽管目前已经能够表征一部分转运蛋白，但其中约30%的转运蛋白仍然没有已知的底物或生理功能。本研究确定了猫白血病病毒亚群C细胞受体1（FLVCR1）是哺乳动物中主要的高亲和力胆碱转运体，突出了通过整合遗传分析揭示新的转运体代谢底物的实用性。

分析血清代谢组学和全基因组关联研究GWAS数据，发现同一性最强的代谢基因对是FLVCR1和胆碱激酶α（CHKA）。敲除细胞中的FLVCR1后对细胞进行代谢组学LC-MS分析，发现FLVCR1敲除细胞的胆碱及其下游代谢产物含量降低最多。利用同位素示踪代谢流实验发现，在FLVCR1敲除细胞中，同位素标记的胆碱速度显著减缓，细胞膜成分的含量也发生了变化。这说明FLVCR1对于胆碱类物质与脂肪代谢有着重要作用。

对胆碱耗竭的细胞敲除FLVCR1后进行RNA-seq分析，发现综合应激反应（ISR）相关基因活化表达程度较高。通过基因组学、脂质组学和蛋白质组学等方法发现，缺乏FLVCR1和胆碱供应会对线粒体膜上的PC水平和蛋白进行重大调整，并导致线粒体的紊乱。

对Flvcr1HET小鼠定时交配的E11.5胚胎进行了全胚胎代谢组学研究，发现 FLVCR1 KO 胚胎中的胆碱、甜菜碱和磷脂酰胆碱水平显著降低，线粒体超微结构也受到影响。再通过针对孕期小鼠进行硫酸胆碱补充的实验，发现在一定剂量范围内硫酸胆碱补充可以部分修复 FLVCR1 缺陷对小鼠胚胎死亡的影响，提示FLVCR1介导的胆碱转运对小鼠胚胎发育是必要的。

参考文献

Integrative genetic analysis identifies FLVCR1 as a plasma-membrane choline transporter in mammals. Cell Metab. 2023.

# 4

Nature Cell Biology | 脂滴和过氧化物酶体在单不饱和脂肪酸的作用下被共调节以延长寿命

饮食中的单不饱和脂肪酸(MUFAs)与许多物种的寿命有关。但MUFA延长寿命的机制尚不清楚。本研究证实涉及脂滴和过氧化物酶体的细胞器网络对于MUFA诱导的秀丽隐杆线虫的寿命至关重要。

从正常对照或ash-2RNAi（诱导MUFA积累和脂滴数量增加）处理的中年成年虫中分离所有脂质，并进行液相色谱结合串联质谱(LC-MS/MS)分析，与对照组相比，MUFA富集（ash-2 RNAi）组总体上MUFAs和甘油三酯的增加，而MUFA的增加导致了单不饱和脂肪酸比多不饱和脂肪酸的比例增加，醚脂的含量减少。低比值和高醚脂的含量通常与脂质氧化加剧有关，因此可以认为MUFA积累可以降低脂质氧化的可能性。

水杨烟肼是一种已知的可以防止铁诱导的脂质的氧化。用水杨烟肼处理后发现蠕虫脂氧化降低，生命延长。对MUFA积累的蠕虫再用水杨烟肼处理，寿命并没有进一步延长，说明MUFA和水杨烟肼是同一条路径， MUFA延长生命的机理是降低脂质的氧化。

研究转录组数据分析发现MUFA积累会促进蠕虫与过氧化物酶有关的基因表达。进一步研究发现增加蠕虫中MUFA的量，过氧化物酶的数量会增加；而如果抑制过氧化物酶的功能，即使MUFA数量增加，蠕虫的寿命也无法延长。提示过氧化物酶体对于MUFA延长蠕虫寿命是必要的。

参考文献

Lipid droplets and peroxisomes are co-regulated to drive lifespan extension in response to mono-unsaturated fatty acids. Nat Cell Biol. 2023.

# 5

Nature Cell Biology | CKB通过非经典功能磷酸化GPX4抑制铁死亡

受体蛋白激酶的激活在多种癌症中普遍存在，其对铁死亡的影响机制尚不清楚。本研究揭示了能量代谢的核心酶肌酸激酶B（Creatine kinase B，CKB）具有蛋白激酶的非经典(moonlighting)功能，解析了肌酸代谢和肿瘤细胞氧化还原稳态调控的机制关联，从能量代谢重塑的角度阐明了正常肝细胞和肿瘤细胞铁死亡（Ferroptosis）防御系统的差异调控机制，为靶向CKB蛋白激酶功能的抗肿瘤药物开发奠定了理论基础。

对谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）免疫沉淀物进行质谱检测分析，表明胰岛素样生长因子1（IGF1）诱导了GPX4和CKB之间的相互作用。免疫共沉淀实验显示IGF1处理增强了AKT和CKB的结合，GST pull-down实验显示AKT直接与His-CKB结合。体外激酶检测显示AKT在ATP存在的情况下可以磷酸化CKB，将T133位突变会抑制AKT对CKB的磷酸化。IGF1处理可以在蛋白水平上提高GPX4表达。

GST pull-down实验显⽰纯化的GST‑GPX4与纯化的His‑HSC70结合。CKB作为一种蛋白激酶，磷酸化了GPX4的S104位点。这种磷酸化阻止了HSC70与GPX4的结合，从而消除了由伴侣介导的自噬调控的GPX4降解，减轻了铁死亡，并促进了小鼠肿瘤生长。

26名男性和4名女性的非肿瘤和肝细胞癌样本（HCC样本）进行免疫组织化学染色，比较肿瘤组织和正常组织标本中蛋白质的表达。肝癌样本男性77例女性13例，分析Gpx4、Gpx4、CKBpT133、4-HNE与肝癌临床侵袭性的关系。在人类HCC样本中，GPX4的水平与CKB T133位点和GPX4 S104位点的磷酸化水平呈正相关，并与肝细胞癌患者的预后不良相关。

参考文献

Creatine kinase B suppresses ferroptosis by phosphorylating GPX4 through a moonlighting function. Nat Cell Biol. 2023.

# 6

Nature Communications | 代谢组学揭示 GAPDH 是COVID-19 重症患者中性粒细胞胞外陷阱形成的抑制剂

COVID-19严重患者由致病性过度炎症引起的。嗜中性粒细胞产生嗜中性粒细胞胞外陷阱 (NETs) 水平在重症患者中增加；抑制 NET 的形成可能会改善严重的疾病。GAPDH（甘油醛-3-磷酸脱氢酶）是细胞能量代谢中最重要的酶之一，催化甘油醛-3-磷酸发生氧化磷酸化，形成烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NADH)。本文报道了COVID-19 患者的嗜中性粒细胞的代谢变化，揭示 GAPDH 是COVID-19 重症患者中性粒细胞胞外陷阱形成的抑制剂。

利用LC-MS分析COVID-19 患者中性粒细胞，结合通路富集和相关性分析发现重症患者与中性粒细胞糖酵解、氨基酸代谢相关。重症患者中性粒细胞中GAPDH 活性降低。使用 GAPDH 抑制剂HA (heptelidic acid)能增加细胞不可渗透的 DNA 染色的染色。

代谢流实验表明GAPDH 抑制导致磷酸戊糖途径PPP 代谢物标记发生显着变化。HA 处理降低了丙酮酸。在 TNF-α 存在的情况下，GAPDH 抑制对糖酵解和 PPP 具有相似的影响。HA 阻断了呼吸爆发依赖性 ROS 的产生。DPI(diphenyleneiodonium) 处理加速了HA 诱导的 NET (neutrophil extracellular trap)形成。代谢组学分析发现HA 处理与 GAPDH 水平的糖酵解阻断一致。HA 处理不会通过提高 ROS 来触发 NET 形成。2-脱氧葡萄糖 (2DG)部分挽救了由 GAPDH 抑制引起的上层糖酵解代谢物积累。

GAPDH 抑制增加胞内 pH 值。使用 HEPES 缓冲液挽救了中性粒细胞死亡和 NET 形成。Cariporide(Na+ /H +交换蛋白1 (NHE1)选择性抑制剂)能挽救由 GAPDH 抑制引起的中性粒细胞死亡和NET形成。2DG 处理可部分挽救 HA 诱导的 pH 变化。

代谢组学、代谢流实验表明逆转pH不能挽救由HA或GAPDH抑制引起的代谢变化。GAPDH抑制下游的pH值升高会通过非代谢机制导致 NET 形成。

参考文献

Neutrophil metabolomics in severe COVID-19 reveal GAPDH as a suppressor of neutrophil extracellular trap formation. Nature Communications. 2023.

# 7

Nature Communications | 空间代谢组学揭示糖原是肺纤维化的可操作靶标

复杂的碳水化合物调节细胞功能；然而，其定量和空间分析一直具有挑战性。本研究确定了一组肺纤维化（PF）预测的碳水化合物，并通过小鼠模型证明糖原通过溶酶体补救途径的利用以及糖原和 N-连接聚糖之间的代谢通道对于体内纤维化发展至关重要。

利用MALDI-MSI分析人类组织切片，发现 MALDI-MSI数据集的高降维与空间聚类（HDR-SC）可识别特发性肺纤维化 (IPF)和COVID-19。基于 HDR-SC，发现肺纤维化 (PF) 区域中核心岩藻糖基化 N-连接聚糖和糖原积累并通过独立队列验证。免疫共定位发现糖原和 α-SMA 稳健共定位。MALD-MSI和独立队列均证实糖原是肺纤维化的代谢标志。类似地，PF 小鼠模型（bleomycin）显示核心岩藻糖基化 N-连接聚糖和糖原增加；糖原定位于肌成纤维细胞。

Laforin 缺乏小鼠（LKO）积累无法降解的糖原；经bleomycin处理的 LKO 小鼠体重减轻不多，肺部HE组织染色、 MALDI-MSI、靶向分析观察到糖原储存显著增加，但症状比WT-bleomycin 小鼠要轻。支气管肺泡灌洗液 (BALF) 总胶原蛋白（纤维化进展相关）定量和MALDI-MSI表明，LKO-bleomycin组纤维化区域的胶原蛋白含量水平低于WT-bleomycin组。

免疫组化表明纤维化区域 GYS表达增加，葡萄糖代谢流实验表明患病的成纤维细胞表现出糖原富含表型和更高的清除率，表明其对糖原的代谢需求增加；并通过患者组织切片进行验证。糖原和 GAA的广泛共定位表明溶酶体是 PF糖原利用的位点并在小鼠中证实这种表型。采用GKO-bleomycin组的肺部HE染色和 MALDI-MSI表明纤维化负担降低了近 5 倍。与 WT-bleomycin相比，GKO-bleomycin 和 LKO-bleomycin的肺中各种 N-连接聚糖减少。

参考文献

Spatial metabolomics reveals glycogen as an actionable target for pulmonary fibrosis. Nature Communications. 2023.

# 8

Science Advances | 靶向 IRG1可逆转肿瘤相关巨噬细胞的免疫抑制功能并增强癌症免疫治疗

免疫应答基因1 （IRG1）编码的乌头类脱羧酶1 （ACOD1）能够催化衣康酸（ITA）的产生。对Irg1缺陷小鼠的遗传分析已经证实了IRG1/ITA在多个病原体模型中具有抗炎功能，最新的证据表明，IRG1能够通过激活肿瘤细胞中的MAPK级联途径来促进肿瘤发展，但具体作用机理尚不清楚。本研究证实ACOD1是免疫肿瘤药物的潜在靶点，IRG1缺陷的巨噬细胞为癌症治疗提供了一种有效的细胞治疗策略。

首先通过分析癌症基因组图谱(TCGA)队列中患者IRG1基因的表达发现IRG1 mRNA在多种类型的肿瘤中表达上调。与肿瘤共培养的巨噬细胞中，Irg1被诱导表达并产生高水平的ITA。

接着发现在B10-F10肿瘤的TME（肿瘤微环境）中，ITA的积累很容易在髓系细胞中检测到，但在淋巴或非免疫细胞中不能检测到。表明骨髓细胞中的Irg1促进了免疫功能正常小鼠的肿瘤生长。

通过单细胞RNA测序技术和流式细胞术发现，在小鼠B16-F10（黑色素瘤）中，Irg1缺失能够重编程肿瘤相关巨噬细胞的极化状态，从而抑制肿瘤生长并增强肿瘤免疫治疗效果。同时还发现Irg1缺陷巨噬细胞获得更多的促炎特征，促进抗原呈递和T细胞趋化。

使用小鼠模型和人类肝细胞癌患者样本探讨Irg1在调节TAMs及其与免疫治疗的关系。结果显示，在小鼠体内敲除Irg1可以增强抗PD-L1免疫治疗的疗效，但是没有直接影响T细胞介导的肿瘤杀伤功能。同时，在经过免疫治疗的HCC患者的临床样本中，IRG1表达与肿瘤浸润的CD8+T细胞呈负相关，表明靶向IRG1/ACOD1有望提高肿瘤免疫治疗的疗效。

参考文献

Targeting IRG1 reverses the immunosuppressive function of tumor-associated macrophages and enhances cancer immunotherapy. Science Advnces. 2023.

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