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繪譜導讀 | 2023年11月代謝組學文獻精選

麥特繪譜

2023.12.07

本期“顯眼包”——乳酸

乳酸，以前總以為它不過是warburg效應和糖酵解過程中平平無奇的中間代謝物，誰知道最近它竟成為沖在代謝調節第一線的“絕對主角”，來看看科學家們對它的新發現：

? Cell Metabolism：膳食果糖在塑造脂肪細胞代謝，導致糖酵解代謝產物（如磷酸二羥丙酮、乳酸和丙酮酸）的水平顯著增加，并在啟動抗腫瘤CD8+T細胞反應中起到關鍵作用。

? Molecular Cell：乳酸作為線粒體信使，刺激獨立于其代謝的電子傳遞鏈（ETC），并且乳酸將ATP的生產從糖酵解轉移到氧化磷酸化，允許細胞保存葡萄糖，同時使用乳酸衍生的丙酮酸作為其優先底物來支持細胞ATP的生產。

? Cancer Cell：乳酸是乳桿菌的主要產物，也是陰道內環境的重要代謝物，而宮頸癌的瘤內菌惰性乳桿菌（L.iners）產生的L-乳酸能夠誘導腫瘤代謝重構從而引起化療耐藥性。

? Nature Metabolism：衰老細胞表現出獨特的葡萄糖代謝譜，葡萄糖轉運蛋白和糖酵解酶表達增加，糖酵解、TCA循環和氧化磷化活性增強，產生的乳酸量增加。乳酸生成可能與年齡相關的病理(包括但不限于癌癥)之間的代謝聯系。

導讀目錄

1. Nature Communications | 人和小鼠小膠質細胞在炎癥通路誘導過程中的物種特異性代謝重編程

2. Cell Metabolism | 膳食果糖介導的脂肪細胞代謝驅動抗腫瘤CD8+T細胞反應

3. Molecular Cell | 乳酸可以激活獨立于其代謝的線粒體電子傳遞鏈

4. Cell Metabolism | 巨噬細胞的代謝促進結腸上皮細胞的動態平衡

5. Nature Communications | 線粒體功能障礙促使T細胞耗竭

6. Cancer Cell | 腫瘤駐留的乳酸桿菌通過乳酸誘導的代謝重組引起放化療耐藥性

7. Cell Metabolism | 肝臟中的S-腺苷甲硫氨酸水平調節對禁食的適應性反應

8. Nature Metabolism | PDK4依賴性高分解代謝和衰老細胞的乳酸生成促進癌癥惡性進展

資源領取

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Nature Communications | 人和小鼠小膠質細胞在炎癥通路誘導過程中的物種特異性代謝重編程

代謝重編程涉及從氧化磷酸化（OXPHOS）到糖酵解的轉換或其他代謝途徑的改變，目前尚缺乏關于人類小膠質細胞的代謝重編程研究數據。本研究綜合轉錄組、蛋白質組技術，對小鼠和人類小膠質細胞的新陳代謝進行了直接比較，發現了人類和小鼠小膠質細胞在炎癥通路誘導過程中的代謝重編程具有物種特異性，為炎癥相關疾病的靶向策略提供新思路。

轉錄組結果表明，脂多糖（LPS）處理可誘導原代小鼠小膠質細胞中一系列與炎癥和免疫激活相關的基因上調，而能量的分解代謝過程下調。小鼠體內和體外小膠質細胞均表現出糖酵解相關基因和其他中樞代謝基因轉錄的共同失調，TCA循環活性下降。

通過誘導性多能干細胞（iPSC）技術衍生出的小膠質細胞（iMGLs）以探究人類小膠質細胞中的代謝重編程，結果表明源自iPSCs的人類小膠質細胞呈現出經典的LPS相關轉錄組反應，表現出糖酵解和TCA通路的轉錄組特征失調，且與小鼠對LPS的時間轉錄組反應不同。

綜合蛋白質組學結果發現，受到LPS刺激的小鼠和人類小膠質細胞的葡萄糖代謝發生了不同程度的改變，人體細胞的TCA循環活性強于小鼠細胞，且小鼠和人類小膠質細胞形態對LPS的反應有明顯區別。生物能譜揭示小鼠和人類小膠質細胞的新陳代謝重編程均表現為糖酵解活性增加。

參考文獻

Species-specific metabolic reprogramming in human and mouse microglia during inflammatory pathway induction. Nature Communications. 2023.

Cell Metabolism | 膳食果糖介導的脂肪細胞代謝驅動抗腫瘤CD8+T細胞反應

越來越多的證據表明果糖攝入與癌癥發病率之間存在關聯，但膳食果糖對腫瘤微環境（TME）的分子、代謝和免疫特性的影響仍有待確定。作為適應性免疫系統的主要組成部分，CD8+T細胞可以通過直接殺傷腫瘤細胞或誘導其他免疫細胞的抗腫瘤反應來發揮抗腫瘤功能。本研究闡述了膳食果糖在塑造脂肪細胞代謝以啟動抗腫瘤CD8+T細胞反應中的關鍵作用，并強調果糖-瘦素軸可能用于癌癥免疫治療。

針對多種小鼠腫瘤模型，高果糖喂養均可以抑制腫瘤生長和提高生存率。單細胞RNA測序（scRNA-seq）分析表明高果糖飲食小鼠的腫瘤中耗竭CD8+T細胞減少，而記憶CD8+T細胞大幅增加。進一步通過Rag1敲除導致缺乏成熟T細胞以及抗CD8抗體實驗證明高果糖飲食可增加CD8+T細胞免疫反應并控制腫瘤進展。

使用Monocle2算法推斷細胞狀態軌跡以及使用流式細胞術分析細胞因子表達，發現膳食果糖調節腫瘤浸潤性CD8+T細胞的轉錄狀態和轉化并產生抗腫瘤作用。

酶聯免疫吸附試驗（ELISA）分析發現高果糖喂養的小鼠血清和腫瘤間質液中果糖水平升高，通過在T細胞上敲除編碼果糖轉運蛋白GLUT5的Slc2a5基因來證實膳食果糖間接作用于CD8+T細胞以控制體內腫瘤的進展。

ELISA分析表明高果糖飲食小鼠血清瘦素水平升高，并且scRNA-seq分析表明小鼠白色脂肪組織（WAT）具有瘦素基因特異性富集。進一步通過在T細胞上敲除編碼瘦素受體Leptin R的Lepr基因以及在脂肪細胞上敲除Slc2a5基因來證實膳食果糖啟動脂肪細胞來源的瘦素產生，并增強CD8+T細胞的抗腫瘤功能。

通過代謝組學方法研究發現高果糖喂養小鼠WAT的糖酵解代謝產物（如磷酸二羥丙酮、乳酸和丙酮酸）的水平顯著增加，并且轉錄組分析發現膳食果糖激活了WAT中的mTORC1信號通路。

參考文獻

Dietary fructose-mediated adipocyte metabolism drives antitumor CD8+T cell responses. Cell Metab. 2023.

Molecular Cell | 乳酸可以激活獨立于其代謝的線粒體電子傳遞鏈

乳酸作為一種有意義的線粒體能量來源，需要依賴于乳酸脫氫酶（LDH）轉化為丙酮酸，丙酮酸再通過丙酮酸脫氫酶（PDH）復合物進入TCA循環，然而，乳酸是否具有與LDH無關的代謝調節功能尚不清楚。本研究發現乳酸作為線粒體信使，刺激獨立于其代謝的電子傳遞鏈（ETC），并且乳酸將ATP的生產從糖酵解轉移到氧化磷酸化，允許細胞保存葡萄糖，同時使用乳酸衍生的丙酮酸作為其優先底物來支持細胞ATP的生產。

通過細胞增殖檢測發現，當葡萄糖濃度受限時，乳酸支持細胞生長，并且乳酸通過增加線粒體ATP的產生來抑制糖酵解，而不是通過單獨調節NAD+/NADH比值。

通過[U-13C]D-乳酸的同位素示蹤實驗發現，D-乳酸不會轉化為丙酮酸或檸檬酸，但D-乳酸添加會刺激氧消耗和線粒體ATP生成。

使用[U-13C] 葡萄糖和[3-13C] L-乳酸的同位素示蹤實驗發現，乳酸是丙酮酸的主要細胞來源，進入TCA循環的丙酮酸通量隨著乳酸濃度的增加呈劑量依賴性增加。

通過PDH活性檢測發現，乳酸的添加激活了分離線粒體中的PDH復合物活性。通過同位素示蹤法發現，乳酸是直接進入線粒體基質，而不是由于基質中的次級代謝，獨立于線粒體丙酮酸載體（MPC）。在PDH E1α或E2缺乏的細胞中，乳酸始終保持了增加線粒體耗氧率的能力，這表明ETC活性的增加與通過PDH復合物的碳進入無關，PDH激活是乳酸激活ETC的次要效應。進一步研究發現，D-乳酸不僅會使呼吸受損的細胞增殖，還會增強原代T細胞增殖和效應功能。

參考文獻

Lactate activates the mitochondrial electron transport chain independently of its metabolism. Mol Cell. 2023.

Cell Metabolism | 巨噬細胞的代謝促進結腸上皮細胞的動態平衡

既往研究發現腸道上皮細胞層作為一道屏障，分隔開腸腔內容物和身體的其他部分，當上皮細胞自我更新功能出現紊亂、腸道菌群或免疫功能失調時，可能會導致炎癥性疾病。巨噬細胞作為經典的天然免疫細胞，能夠介導腸道對微生物共生體的耐受性和對病原體的免疫力。然而巨噬細胞除了吞噬功能，其潛在的代謝支持在腸道中的作用仍不明晰。本研究通過多組學分析發現結腸中的巨噬細胞與上皮隱窩細胞緊密接觸，并通過mTORC1（機械目標蛋白激酶復合體1）信號通路為它們提供代謝支持。

小鼠免疫熒光染色結果表明，結腸巨噬細胞位于小鼠隱窩上皮細胞附近，以mTORC1依賴性方式代謝促進上皮細胞增殖。

通過靶向代謝組學分析，發現“亞精胺和精胺生物合成”的生物合成途徑高度富集，表明巨噬細胞中結節性硬化癥復合體2（Tsc2）激活mTORC1信號傳導，從而防止結腸炎引起的腸道損傷，并誘導多胺亞精胺和精胺的合成。

細胞敲除和骨髓移植實驗結果表明，結腸上皮細胞會吸收由mTORC激活的巨噬細胞產生的外部多胺，重構細胞代謝，以增強和保障細胞增殖。

相關分析表明，對巨噬細胞中多胺產生的遺傳干擾會改變結腸中整體多胺水平并影響上皮細胞增殖。

參考文獻

Metabolic support by macrophages sustains colonic epithelial homeostasis. Cell Metabolism. 2023.

Nature Communications | 線粒體功能障礙促使T細胞耗竭

T細胞耗竭是癌癥和持續性感染的標志特征，終末耗竭T細胞穩定地由前體種群/ /祖細胞（Tpex）補充，然而，控制Tpex維持的代謝原理以及指示其功能耗竭的信號調控仍不完全明確。本研究通過基因缺陷小鼠、單細胞轉錄組學和代謝組學相結合，發現線粒體功能障礙是引發T細胞功能耗竭的細胞內觸發因素。

本研究培育了T細胞特異性缺失編碼線粒體磷酸載體（mPiC）的小鼠，使T細胞中的線粒體呼吸作用失效，轉向替代代謝途徑。細胞外通量分析和RNA測序，以及進一步供體T細胞的表型及功能分析表明，在沒有持續的抗原暴露的情況下，線粒體呼吸功能障礙也足以引起T細胞耗竭相關的轉錄、表型和功能特征。

LCMS代謝組學分析顯示，在mPiC缺陷的T細胞中下調最多的是幾種糖酵解中間體，GSEA富集分析顯示其與活性氧（ROS）通路基因表達特征和ROS解毒相關基因的上調密切相關；結合通路富集和轉錄因子富集分析確定HIF-1α是潛在的調控因子。本部分結果表明由于線粒體障礙導致的氧化應激和代謝重編程能夠維持HIF-1α蛋白的穩定和T細胞耗竭。

進一步分析發現，線粒體功能障礙導致氧化還原應激，抑制了HIF-1α的蛋白酶體降解，并促進了Tpex細胞的轉錄和代謝重編程，使其轉變為終末耗竭T細胞。

參考文獻

Mitochondrial dysfunction promotes the transition of precursor to terminally exhausted T cells through HIF-1α-mediated glycolytic reprogramming. Nature Communications. 2023.

Cancer Cell | 腫瘤駐留的乳酸桿菌通過乳酸誘導的代謝重組引起放化療耐藥性

腫瘤微生物可以產生活性代謝物，影響癌癥和免疫細胞的信號、代謝和增殖，但當前理解腫瘤-微生物群相互作用的復雜機制仍存在挑戰。本研究使用微生物組測序、靶向細菌培養和體外檢測相結合的方法，探究影響宮頸癌患者放化療反應的腫瘤和腸道微生物組特征，最終發現腫瘤中惰性乳桿菌（L.iners）產生的L-乳酸能夠誘導腫瘤代謝重構而引起化療耐藥性。

分析101名接受放化療的宮頸癌患者中的腫瘤細菌組與治療反應不良之間的關系，結果顯示腫瘤駐留細菌L.iners豐度與患者治療反應差、無復發生存率和總生存率降低有關，但不能替代其他腸道或腫瘤微生物、微生物特征或臨床特征。

分析免疫相關表型，發現L.iners的豐度并不能影響抗原特異性T細胞，表明T細胞的識別和擴增不是低存活率的主要機制。用宮頸癌細胞系分析發現L.iners無細胞上清液可介導輻射抗性的因子以誘導放化療抵抗，但這種效應不是細菌細胞壁成分的作用。

研究進一步發現含有L.iners細菌的腫瘤中L-乳酸水平較高。L-乳酸能夠改變腫瘤細胞的信號通路，增加腫瘤細胞的DNA合成和代謝活性，降低腫瘤細胞對放化療引起的DNA損傷和應激反應，從而誘導癌細胞對化療和放射治療產生抵抗，導致腫瘤代謝重編程及多種代謝途徑的改變。

參考文獻

Tumor-resident Lactobacillus iners confer chemoradiation resistance through lactate-induced metabolic rewiring. Cancer Cell. 2023.

Cell Metabolism | 肝臟中的S-腺苷甲硫氨酸水平調節對禁食的適應性反應

禁食可促進健康、延緩衰老并防止肥胖，會觸發主要器官系統（包括肝臟、大腦和脂肪組織）的適應性代謝反應。在大多數哺乳動物的肝臟中，禁食12-24小時會導致肝糖原儲存的消耗，增加使用脂肪來源的酮體和游離脂肪酸作為能量來源。然而肝臟代謝的這種適應性非常復雜，本研究發現小鼠肝臟S-腺苷甲硫氨酸（SAMe）作為營養的代謝傳感器，通過調節磷脂酰乙醇胺N-甲基轉移酶（PEMT）活性、β-氧化和肝臟中ATP的產生，以及FGF21介導的脂肪組織中的脂解和產熱，來調節分解代謝-禁食反應，揭示了SAMe在禁食代謝適應中的新機制。

采用UPLC-MS技術對進食16h后肝臟中的Met、SAMe和SAH水平進行分析，發現肝臟SAMe水平早在6小時就顯著下降；另一方面，甲基從SAMe轉移后形成的副產物SAH的水平增加，導致SAMe/SAH比率降低；進一步分析MAT1A mRNA和MAT1A蛋白水平，發現兩者的表達從12小時到24小時逐漸增加。

通過核磁共振光譜跟蹤13C標記的Met與其他細胞代謝物的結合，研究發現，在肝臟中MET循環的幾種代謝物（包括SAMe、同型半胱氨酸、PC和同型絲氨酸）以及糖異生代謝物（包括3-磷酸甘油、果糖1，6-二磷酸、葡萄糖-6磷酸和葡萄糖）和乳酸中都有放射性標記。

通過31P NMR檢測法測定總PC和PE含量，發現24小時饑餓的MAT1A-KO小鼠肝臟中PC和PC/PE比率明顯下降。

參考文獻

Hepatic levels of S-adenosylmethionine regulate the adaptive response to fasting.?Cell Metab. 2023.

Nature Metabolism | PDK4依賴性高分解代謝和衰老細胞的乳酸生成促進癌癥惡性進展

細胞衰老最初被認為是細胞傳代后增殖能力喪失，后來發現，衰老是由多種內在或外在因素誘導。衰老細胞仍保持代謝活性，但其代謝景觀和由此產生的影響仍未得到充分探討。該研究證實了衰老細胞的高分解代謝特性，揭示了細胞衰老、乳酸生成以及可能與年齡相關的病理(包括但不限于癌癥)之間的代謝聯系。

通過氣相色譜-質譜（GC-MS）分析和[U-13C6 ]-葡萄糖代謝流分析來研究衰老細胞攝取葡萄糖時的代謝模式，發現衰老細胞表現出獨特的葡萄糖代謝譜，葡萄糖轉運蛋白和糖酵解酶表達增加，糖酵解、TCA循環和氧化磷化活性增強，產生的乳酸量增加，表現為一種過度代謝狀態，且PDK4在代謝轉變中起到了承上啟下的作用。

進一步構建小鼠模型，發現抑制PDK4可以減少衰老細胞的積累，從而減少了年齡相關的疾病和腫瘤的發生。此外，抑制PDK4還可以減少衰老細胞的SASP（衰老相關分泌表型），從而減少了癌細胞的侵襲和轉移。

通過轉錄組學和蛋白質組學水平的單細胞分析表明，衰老細胞經歷了強烈的代謝重編程，以維持其周期停滯但有活力的狀態，并上調了維持高度復雜、動態和異質性SASP3所需的蛋白質表達。線粒體功能障礙的許多驅動因素通過破壞細胞質內煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+和NADH）、產生活性氧（ROS）和潛在的其他機制導致細胞衰老。