客户案例 | NC二连发！代谢组学-代谢流技术助力周文教授团队在多发性骨髓瘤研究中的新突破（二）

多发性骨髓瘤（Multiple Myeloma, MM）是一种常见于中老年人血液系统浆细胞的恶性肿瘤，随着我国人口老龄化不断增长，MM发病率呈明显上升趋势。当前MM重要临床问题是耐药所诱导的复发难治。中南大学湘雅医院周文教授课题组利用麦特绘谱的代谢组学非靶向-全定量-代谢流系列技术确定了甘氨酸是MM的关键代谢调节剂，揭示了骨髓微环境中氨基酸代谢失衡是MM发病和耐药的新机制，提示通过阻断甘氨酸摄取抑制细胞增殖并增强BTZ对骨髓瘤细胞的作用，成果于2022年7月，发表在Nature Communications（IF=17.694）期刊。（点击查看详细解读）

2023年4月，周文教授在多发性骨髓瘤氨基酸代谢研究中的新成果再发Nature Communications 期刊，与中国医学科学院中国医学科学院血液与健康全国重点实验室周家喜教授及团队发表题为“Excessive serine from the bone marrow microenvironment impairs megakaryopoiesis and thrombopoiesis in Multiple Myeloma” 的论文。血小板减少症是多发性骨髓瘤患者的主要并发症，该研究发现丝氨酸是血小板减少症的关键代谢物，揭示了调控MM进展的分子机制，并通过靶向血小板减少症为治疗MM患者提供了潜在的治疗策略。（麦特绘谱为本研究提供非靶向代谢组、氨基酸谱定量和代谢流检测服务）

本研究纳入1468例新诊断MM（ND）患者，根据血小板计数分为正常、低、高三组，对血小板计数与疾病进展的潜在相关性进行了分析，结果发现I期患者血小板数量最多，III期患者血小板数量最少。进一步研究表明血小板减少可作为MM患者的独立预后因素，基于MM患者和5TGM1小鼠模型发现，在MM进展过程中，巨核生成和血小板生成严重损害并导致血小板减少。

临床代谢组学分析

来源于造血干/祖细胞（HSPCs）的BM 巨噬细胞（MKs）产生血小板的过程紧密依赖于它们与BM生态位的相互作用。研究人员利用先前建立的体外培养系统来模拟人类巨核生成与血小板生成验证了上述问题。随后，通过非靶向代谢组学发现包括丝氨酸在内的5种氨基酸在血小板计数较低的患者中积累较多。进而氨基酸谱靶向定量结果显示血小板减少型MM患者骨髓微环境中丝氨酸含量显著上升，结合功能验证实验表明了丝氨酸是骨髓微环境中控制巨核生成和血小板生成的潜在关键因素。

图1. BM中丝氨酸上调并与MM患者血小板减少症有关

系列的体内外功能实验验证丝氨酸的作用

研究人员通过体外的MK分化系统添加不同浓度的丝氨酸，导致细胞内丝氨酸水平升高，表明MK对细胞外丝氨酸的摄取是剂量依赖性的。随后发现丝氨酸浓度越高，MK分化和血小板生成抑制越明显，另外，过量丝氨酸可提高MK细胞的凋亡率。接下来利用小鼠模型实验探究丝氨酸在体内的作用，通过饮食添加或不添加丝氨酸，发现与体外实验结果一致，无丝氨酸饮食小鼠的血小板计数和MK维持在较高水平，剥夺丝氨酸摄取确实阻止了MM进展过程中血小板的减少。进而通过PB血清孵育血小板实验发现，MM血清孵育的血小板凋亡率明显更高，提示MM患者血清中存在促凋亡因子。

图2. 丝氨酸在体外和体内均抑制巨核生成和血小板生成

丝氨酸作用的分子机制

转录组学分析显示外源丝氨酸可能诱导丝氨酸转运、叶酸循环、丝氨酸转化为甘氨酸和丝氨酸合成的改变，进一步分析表明SLC38A1作为一个关键的转运体介导丝氨酸对巨核生成和血小板生成的抑制作用。随后探究丝氨酸调控巨核生成和血小板生成的分子机制，通过代谢流技术（13C3-serine）发现被标记的甲硫氨酸、SAM和SAH，推测叶酸一碳代谢被纳入甲硫氨酸循环中。接下来一系列实验证实丝氨酸主要通过甲硫氨酸循环导致组蛋白H3K9三甲基化修饰下调SVIL表达，从而抑制多发性骨髓瘤血小板的生成。

图3. 丝氨酸通过s-腺苷-甲硫氨酸介导的H3K9三甲基化下调SVIL

丝氨酸在BM微环境中的积累

研究人员假设BM中的骨髓瘤细胞可能通过释放过多的丝氨酸来抑制巨核生成和血小板生成。通过流式细胞术检测结果证实了条件培养基（CM）对MM细胞向巨核细胞分化的抑制作用，进一步说明MM细胞可能通过分泌外源性因子对巨核生成和血小板生成发挥抑制作用。随后直接评估丝氨酸是否确实从MM细胞分泌，通过探究ARP1细胞的13C2-glycine代谢通量来测量13C标记丝氨酸，发现13C标记丝氨酸在ARP1细胞的CM中逐渐升高。另外，在MM细胞产生的CM处理后，MKs中丝氨酸向甲硫氨酸转变。有趣的是，在MM细胞CM处理的MKs中，观察到甲硫氨酸的标记增强。与此一致，CM处理的细胞中H3K9的三甲基化也上调。

图4. 在骨髓微环境中积累的丝氨酸从骨髓瘤细胞中释放出来

最后，研究人员确定体内外源性血小板生成素（TPO）对过量丝氨酸引起的血小板减少症的影响。与对照组相比，饲喂高丝氨酸日粮的小鼠血清中丝氨酸浓度升高，而TPO干预的小鼠血清中丝氨酸浓度降低，并且血小板和MKs数量也恢复到较高水平，肿瘤细胞浸润和肿瘤负荷均有所降低。这表明TPO可逆转丝氨酸诱导的血小板减少，延缓MM疾病进程，为血小板减少型MM治疗提供了靶向干预新思路。

图5. TPO干预的作用

综上，本研究揭示了血小板减少的程度可能有助于MM的风险分层，并为新诊断的MM患者的治疗提供新的见解。高丝氨酸水平可能是骨髓瘤相关血小板减少症的标志，并可能为潜在的饮食和治疗干预开辟途径，如丝氨酸限制性饮食和TPO应用。

客户案例原文

Kuang, C., Xia, M., An, G. et al. Excessive serine from the bone marrow microenvironment impairs megakaryopoiesis and thrombopoiesis in Multiple Myeloma. Nat Commun. 2023.

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上述研究涉及的非靶向代谢组学、靶向代谢组学（氨基酸谱、Q300全定量代谢组）和13C2-glycine代谢流分析均由麦特绘谱提供检测服务。截至2023年5月，我们已协助客户与合作伙伴发表SCI文章300+篇，累计影响因子3000+，包括Science, Cell Metabolism, Immunity, Gut, Signal Transduction and Targeted Therapy, Science Translational Medicine等顶级期刊。

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