绘谱导读 | 2023年12月代谢组学文献精选

2024-01-11 20:32:44, 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 

岁末年初,氨基酸研究又占了各大期刊的C位,明明是大吃大喝大鱼大肉的季节,又要提防是不是蛋白质和BCAA吃太多以往已经有不少研究提出BCAA水平的升高与代谢性疾病的显著关联,原因和机制也是多方面的。本期Nature Aging的一篇文章指出了可能的根源:BCAA代谢通路会因机体衰老而受损,从而导致脂肪细胞功能失调以及慢性代谢性疾病的发生。而一篇Cell Metabolism文章指出限制BCAA中异亮氨酸的摄入则可以改善代谢。要知道BCAA在大部分肉类和蛋白质食品中普遍存在,而且BCAA是健身/运动人士最常用的增肌补剂,到底怎么补、怎么吃?可能存在着巨大的个体、年龄差异的考量,期待更多研究。

BMC Medicine文章揭示血浆丙氨酸与MAFLD风险之间的正因果关系一致。丙氨酸或将是MAFLD预防或治疗的潜在靶点。

Advanced Science证实肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)分泌的牛磺酸作为一种有效的代谢物,以SCD1依赖的方式促进前列腺癌对凋亡的抵抗。阻断牛磺酸运输以破坏肿瘤细胞-巨噬细胞之间的相互作用可能是恢复PCa对铁死亡敏感性的潜在策略。

● 机体中的氨

氨基酸在脱氨后可以进入能量生成循环,产生的氨一直被认为是潜在的有害副产物。但本期两篇论文体现了氨对机体影响的利与弊。本期另一篇Cell Metabolism文章证实苹果酸穿梭能够通过产生2-酮戊二酸(2-KG)对Tex细胞中的氨进行解毒,并延长Tex细胞寿命;Nature Metabolism的一篇研究证实肠道氨则发挥正面作用,氨可以通过维持雄性小鼠大脑谷氨酰胺的可用性,将微生物氮代谢与宿主应激脆弱性联系起来。

目录

1. Cell Metabolism | 巴特综合征治病机制在于细胞色素c过氧化酶活性异常

2. Cell Metabolism | 饮食限制异亮氨酸可改善代谢并延长遗传异质性小鼠的寿命

3. Nature Metabolism | 肠道微生物衍生的氨调节宿主的应激脆弱性

4. Nature Aging | 脂肪组织中BCAA分解代谢受损会促进与年龄相关的代谢紊乱

5. BMC Medicine | 基因预测血浆氨基酸水平和代谢功能障碍相关的脂肪肝疾病风险:一项孟德尔随机化研究

6. Nature Metabolism | 维生素B5支持乳腺癌中的MYC致癌代谢和肿瘤进展

7. Advanced Science | 新型代谢产物牛磺酸可抑制癌症铁死亡

8. Cell Metabolism | 氧化还原和排毒:苹果酸穿梭代谢使疲惫的T细胞保持健康

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01

Cell Metabolism | 巴特综合征治病机制在于细胞色素c过氧化酶活性异常

巴氏综合征(BTHS)是一种威胁生命的遗传疾病,既往研究发现该疾病由TAFAZZIN(TAZ)基因突变引起,影响线粒体心磷脂(CL)的重塑。TAZ缺乏导致单亚-CL(MLCL)的堆积,与细胞色素c(cyt c)形成过氧化酶复合物,进而氧化富含多不饱和脂肪酸(PUFA)的脂质。然而BTHS其致病机制尚不清楚。本研究通过遗传学、生化/生物物理学、脂质组学和计算机模型,揭示了过氧化酶-MLCL-cyt c复合物形成的机制以及磷脂过氧化的增加,筛选出一个潜在的新靶点和一种小分子候选药物,可以用于治疗BTHS。

1. cyt c与MLCL结合的固体核磁共振(SSNMR)研究以及分子动力学模拟研究结果发现,BTHS患者的cyt c显示出异常的过氧化酶活性,导致磷脂类物质的过氧化,尤其是MLCL的过氧化。

2. 液相色谱-质谱(LC-MS)研究结果发现,在BTHS样本中存在多种氧化磷脂,而这些氧化产物的富集可能主要发生在cyt c与MLCL复合物内部。

3. 相关性分析表明,细胞色素c的异常过氧化酶活性可能是BTHS致病的主要机制之一。IOA(imidazole-substituted oleic acid)及其线粒体靶向衍生物 TPP-IOA可以阻止这种过度氧化现象,并改善了BTHS果蝇模型的运动功能和耐力。

参考文献

Anomalous peroxidase activity of cytochrome c is the primary pathogenic target in Barth syndrome. Nature Metabolism. 2023

02

Cell Metabolism | 饮食限制异亮氨酸可改善代谢并延长遗传异质性小鼠的寿命

既往研究表明限制膳食支链氨基酸(BCAAs)可以延长小鼠寿命,其中BCAAs的不良代谢作用主要由异亮氨酸(Ile)和缬氨酸介导。在人体内,膳食中Ile水平与BMI指数相关,而血液中Ile水平与死亡率增加相关。然而,介导这些作用的机制目前尚不清楚。本研究通过多组学联合分析发现膳食限制异亮氨酸(IleR)可以延缓小鼠的健康衰老,并且促进健康寿命的能力比蛋白质限制膳食更佳。

1. 根据氨基酸摄入,将小鼠分为正常氨基酸饮食、低氨基酸饮食、低异亮氨酸饮食组(IleR)。在26项健康指标检查中,IleR小鼠表现更好,包括肌肉力量、耐力、血糖水平和脱发等。相关表型研究结果表明膳食IleR限制可降低年轻和老年UM-HET3小鼠的体重并改善血糖,同时增加食物摄入量和能量消耗,促进代谢健康,改变能量平衡。

2. 通过RNA转录组学、血清非靶向代谢组学以及脂质组学联合分析,结果表明IleR以性别和年龄依赖性方式重新编程肝脏代谢,分子变化和表型的聚类也取决于性别和年龄。

3. 综上进一步分析发现,IleR可改善雄性和雌性小鼠的健康寿命并减轻虚弱程度;对于雄性小鼠而言,IleR可显著延长中位寿命和最大寿命;对于雌性小鼠而言,IleR适度延长中位寿命,但不能延长最长寿命。

4. 进一步研究表明,限制饮食中异亮氨酸水平可增加遗传异质性小鼠的健康寿命和总寿命,具有抗衰老的潜力。

参考文献

Dietary restriction of isoleucine increases healthspan and lifespan of genetically heterogeneous mice. Cell Metabolism. 2023

03

Nature Metabolism | 肠道微生物衍生的氨调节宿主的应激脆弱性

氨长期以来被认为是一种代谢废物,具有众所周知的神经毒性作用。然而,对内源性氨的有益功能知之甚少,内源性氨主要是由肠道内的脲酶阳性细菌产生。在大脑中,星状胶质细胞谷氨酰胺合成酶(GS)会催化氨和谷氨酸(Glu)转化为谷氨酰胺(Gln),Gln是中枢神经系统中两种主要神经递质谷氨酸Glu和γ-氨基丁酸(GABA)合成的前体。本研究发现肠道氨通过维持雄性小鼠大脑谷氨酰胺的可用性将微生物氮代谢与宿主应激脆弱性联系起来。

1. 慢性社会失败压力(CSDS)处理会使易感小鼠血液、结肠、粪便和脑脊液的氨水平显著降低。进一步采用抗生素治疗和粪菌移植(FMT)实验证实CSDS诱导会通过影响肠道微生物群落来降低循环氨水平。

2. 通过宏基因组测序发现CSDS处理会使小鼠肠道脲酶阳性细菌功能下调。口服一种产脲酶菌株嗜热链球菌(S. thermophilus)会使小鼠血液和粪便中的氨水平、粪便中的脲酶水平均升高,且减轻小鼠抑郁样行为,并且通过给小鼠腹腔注射细菌脲酶抑制剂Flurofamide(FFA)可消除S. thermophilus的抗抑郁样作用。通过灌胃乳果糖(LAC)处理建立了低氨模型,证明肠道氨缺乏足以诱发应激相关的行为异常。

3. LAC处理和CSDS-FMT处理小鼠内侧前额叶皮层(mPFC)Gln水平下降,并且小鼠mPFC中GABA水平而非Glu水平下降。使用全细胞膜片钳技术发现肠道氨缺乏可能通过限制Gln的可用性来损害GABA功能。

4. 在治疗方面,氯化铵(NH4Cl)是一种临床常用的祛痰剂,适度剂量的NH4Cl可以改善CSDS处理小鼠的抑郁型行为和GABA功能缺陷。

参考文献

Gut microbiome-derived ammonia modulates stress vulnerability in the host. Nature Metabolism. 2023

04

Nature Aging | 脂肪组织中BCAA分解代谢受损会促进与年龄相关的代谢紊乱

脂肪组织在调节全身能量代谢中起着至关重要的作用。内脏脂肪的年龄依赖性增加可能导致慢性炎症和由此产生的胰岛素抵抗,导致代谢紊乱的进展,衰老过程中脂肪组织功能的损害可能是能量稳态失调的主要原因之一。环磷腺苷效应元件结合蛋白(CREB)调控的转录共激活因子(CRTC 2)参与代谢稳态的调控。本研究发现CRTC2对支链氨基酸(BCAA)分解代谢的干扰在体内引发与年龄相关的脂肪组织重塑和由此导致的代谢下降是至关重要的。

1. 通过构建脂肪细胞特异性Crtc2敲除(Crtc2 AKO)小鼠,发现Crtc2 AKO可以逆转年龄相关的代谢紊乱。通过脂质代谢组学分析发现在Crtc2 AKO老年小鼠中,其肝脏的胆固醇酯、二酰甘油(DAGs)和三酸甘油酯(TAGs)水平减少,并且其内脏脂肪组织(VAT)的TAG和DAG水平也减少,磷脂酰胆碱(PC)水平增加。进一步通过同位素示踪实验发现来自[U-13C]谷氨酰胺的m+5分数标记的柠檬酸盐(脂质合成的主要碳源之一)在Crtc2 KO脂肪细胞中降低。

2. 通过代谢组学发现富集通路为BCAA代谢、半胱氨酸和蛋氨酸代谢、柠檬酸循环等,并且老年WT小鼠VAT中的BCAA分解代谢物特异性下降,包括羟甲基丁酸(HMB)、3-羟基-3-甲基戊二酸(3-HMG)。同位素示踪实验表明在Crtc2 AKO模型中,BCAA中的亮氨酸向下游代谢物的分解代谢通量增加。同时CRTC2 - HES1(PPARγ的转录抑制剂)轴的升高和PPARγ(VAT中脂肪生成和氨基酸分解代谢的主要调节因子)的下调在老年小鼠VAT中BCAA分解中至关重要。

3. 通过细胞衰老 系列研究发现,Crtc2 AKO保护脂肪组织免受线粒体年龄相关衰退的影响,部分原因是AMPK-mTORC1轴的相互调节。

4. 通过单细胞RNA测序发现,在脂肪细胞中敲除Crtc2后,年龄介导的脂肪组织结构重塑被阻止,部分原因是衰老相关分泌表型(SASP)因子的减少,并且老年Crtc2 AKO小鼠脂肪生成祖细胞(AP)的成脂潜能与幼年野生型(WT)小鼠相当。

参考文献

Impaired BCAA catabolism in adipose tissues promotes age-associated metabolic derangement. Nature Aging. 2023

05

BMC Medicine | 基因预测血浆氨基酸水平和代谢功能障碍相关的脂肪肝疾病风险:一项孟德尔随机化研究

最新的代谢组学研究表明,氨基酸代谢与代谢功能障碍相关的脂肪肝(MAFLD)风险之间存在联系,然而氨基酸代谢是否在MAFLD的发展中起着病原学作用仍然未知。本研究利用全基因组关联研究(GWAS)的汇总水平数据进行了两样本孟德尔随机化(MR)分析,以评估遗传预测的循环氨基酸水平与MAFLD风险之间的因果关系。

1. 将谷氨酸等19种氨基酸作为暴露因素,MAFLD作为结局指标,通过MR主要分析发现遗传预测的较高循环丙氨酸水平与MAFLD风险增加有因果关系。MR敏感性分析结果提示,丙氨酸和谷氨酰胺与MAFLD风险间存在潜在因果效应,随后的保守MR分析证实了这一效应。

2. 以MAFLD为暴露因素,以氨基酸水平为结局指标的反向MR分析发现对MAFLD遗传易感性较高的个体更有可能具有较高水平的AAAs(包括酪氨酸,色氨酸和苯丙氨酸)和缬氨酸水平以及较低水平的甘氨酸,其中所有AAAs的因果证据均通过加权中位数和加权模式分析的结果得到加强。

3. 使用英国生物样本库中测量的质子密度脂肪分数(PDFF)作为连续结果来验证主要MR分析结果,观察到遗传预测的较高丙氨酸水平与较高的PDFF呈正相关,与MR主要分析中揭示的丙氨酸与MAFLD风险之间的正因果关系一致。丙氨酸或将是MAFLD预防或治疗的潜在靶点。

参考文献

Genetically predicted plasma levels of amino acids and metabolic dysfunction-associated fatty liver disease risk: a Mendelian randomization study. BMC Medicine. 2023.

06

Nature Metabolism | 维生素B5支持乳腺癌中的MYC致癌代谢和肿瘤进展

已知包括乳腺癌在内的诸多肿瘤疾病都表现出较强的克隆异质性。MYC作为一种原癌基因和多效性转录因子,被认为是代谢的主要调节剂,但在多克隆的病理生理相关背景下,这些恶性亚克隆的真正代谢特征仍然未知。因此,揭示原位MYC高克隆的代谢特征将有利于开发针对恶性肿瘤进展代谢的新治疗策略。

1. 建立可诱导可追踪的癌症MYC异质性模型,分为包含MYC-ERT2(WMhigh)的克隆模型和不包含的(WMlow)。代谢组学分析表明,WMhigh肿瘤中与细胞生长相关的通路显著增加。质谱成像结果显示,WMhigh和WMlow肿瘤中部分代谢物的分布具有良好的一致性。与WMhigh和WMlow各自相关的两个模块可在二者混合(WMmix)肿瘤组织上呈现良好的克隆特异性。

2. 不同克隆模型间的代谢组学揭示维生素B5(PA)与MYC水平的相关性最强,并在小鼠模型中得到了验证。进一步发现PA及其下游产物CoA与WMmix肿瘤中的WMhigh克隆有高度重叠。通过同位素示踪技术发现WMhigh细胞会自主增加对PA的摄取,继而增加下游代谢产物CoA的生成。

3. 同位素示踪发现与WMlow相比,WMhigh肿瘤中的谷氨酰胺分解代谢增加,且三羧酸循环活性增加与WMhigh存在显著关联。被剥夺PA的肿瘤小鼠体内肿瘤细胞存在能量受损。与PA有关的转运蛋白SLC5A6的表达和MYC之间有很强的相关性,并随即证实了MYC对SLC5A6的直接转录调控。

参考文献

Vitamin B5 supports MYC oncogenic metabolism and tumor progression in breast cancer. Nature Metabolism. 2023.

07

Advanced Science | 新型代谢产物牛磺酸可抑制癌症铁死亡

肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)在肿瘤耐药过程中起着重要作用。铁死亡是一种以脂质过氧化和铁的积累为特征的程序性细胞死亡。虽然铁死亡对肿瘤细胞的致死作用已被广泛报道,但TAM如何抑制铁死亡在肿瘤中的作用尚未明确。本研究筛选并鉴定了TAM分泌的牛磺酸作为一种有效的代谢物,以SCD1依赖的方式促进前列腺癌对凋亡的抵抗。此外,阻断牛磺酸运输以破坏肿瘤细胞-巨噬细胞之间的相互作用可能是恢复PCa对铁死亡敏感性的潜在策略。

1. 对 M0-lCM(M0巨噬细胞培养基)和M2-lCM(M2巨噬细胞培养基)进行非靶向代谢组学分析,在M2-lCM中鉴定出10个显著富集的候选代谢物,且只有M2型巨噬细胞分泌的牛磺酸能有效抑制铁死亡。进一步检测巨噬细胞中TauT(牛磺酸转运蛋白)的表达,发现TauT在M2型巨噬细胞的mRNA和蛋白水平上都有高度且特异性的表达。

2. 通过CRISPR/Cas9敲除M2巨噬细胞中的TauT,发现在TauT敲除后,M2巨噬细胞培养上清中牛磺酸水平下降,M2- KO lCM预处理PCa细胞对铁死亡的敏感性高于M2- NC lCM,进一步表明M2巨噬细胞分泌的牛磺酸是抑制PCa铁死亡的主要代谢物。

3. 通过敲除DU145细胞中LXR(肝X受体)的表达,结果发现在mRNA和蛋白水平上SCD1的表达均降低,生物信息学实验和ChIP实验进一步证实SCD1是LXRα在PCa中的直接靶基因,且抑制LXRα或TauT显著下调了细胞内miR-181a-5p的表达。

参考文献

Taurine Inhibits Ferroptosis Mediated by the Crosstalk between Tumor Cells and Tumor-Associated Macrophages in Prostate Cancer. Advanced science. 2023

08

Cell Metabolism | 氧化还原和排毒:苹果酸穿梭代谢使疲惫的T细胞保持健康

氨基酸在脱氨后可以进入能量生成循环,产生活性氧(ROS)和氨作为潜在的有害副产物,所以长寿的细胞必须具有去除活性氧和氨的机制。Tex (疲惫T细胞)具有较低的线粒体功能和氧化磷酸化(OXPHOS)代谢,导致Tex细胞内NAD+/NADH比率降低和氨积累。该研究表明,苹果酸穿梭能够通过产生2-酮戊二酸(2-KG)来解毒Tex细胞中的氨,并延长Tex细胞寿命。

1. 通过构建T细胞特异性GOT1(谷草转氨酶1)缺陷小鼠模型,发现在感染LCMV CL13(淋巴细胞脉络丛脑膜炎病毒)后的第30天, GOT1缺陷细胞中NAD+/NADH比值降低,2-KG和苹果酸降低,但氨浓度高得惊人。

2. 用13C示踪剂标记的苹果酸盐刺激Tmem(记忆T细胞)或Tex 细胞后,WT和GOT1缺陷CD8+ Tmem细胞产生等量的13C示踪剂标记的天冬氨酸。而GOT1缺陷CD8+ Tex细胞产生标记的天冬氨酸少于WT CD8+ Tex细胞,表明CD8+ Tex细胞需要GOT1才能从苹果酸盐中生成天冬氨酸,但Tmem细胞经历了传统的苹果酸穿梭,不需要GOT1来产生天冬氨酸。

3. 用2-KG治疗CMV CL13预感染的宿主小鼠,研究发现在GOT1缺陷T细胞中,2-KG处理可使宿主改善GOT1缺陷T细胞的数量、效应功能和增殖,与慢性时间点的WT  T细胞水平相似。

参考文献

Redox and detox: Malate shuttle metabolism keeps exhausted T cells fit. Cell metabolism. 2023


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