绘谱导读 | 2023年8月代谢组学文献精选
导读聚焦
肠道菌群代谢对宿主的影响
与饮食相关的肠道衍生代谢物可介导儿童认知发展, 在小鼠中验证早期粪便移植在整个成年期具有持久影响（1）；白色念珠菌衍生的苯丙酮酸（PPA）可增强巨噬细胞的杀菌活性并防止脓毒症发生（2）。
脂质的新作用
内源性脂质——油酰乙醇酰胺 (OEA)在哺乳动物外周组织和中枢神经系统 (CNS) 中产生，并被发现在阿尔茨海默症（AD）患者中下调，该研究发现OEA能够激活 PPARα 信号传导及其下游细胞表面受体 CD36 活性，增强小胶质细胞 β-淀粉样蛋白(Aβ)的摄取和清除（3）; 肠道鞘脂稳态影响神经系统的发育和代际健康，天然产物熊果酸通过增强母体提供鞘氨醇-1-磷酸（一种具有生物活性的鞘脂）来提供神经保护（4）。
氨基酸与肿瘤细胞铁死亡
缺氧诱导因子1α（hypoxia-inducible factor 1α, HIF-1α）是缺氧肿瘤微环境的主要驱动因子，通过调节糖酵解和谷氨酸代谢共同促进实体瘤细胞铁死亡抵抗。HIF-1α作为SLC1A1上游转录因子，可以激活其表达，促进谷氨酸摄取，进而交换更多细胞外胱氨酸，最终导致铁死亡抵抗（7）；甲硫氨酸Met的长期缺乏和短暂饥饿对肿瘤细胞铁死亡具有截然相反的调控作用，饮食中Met的间歇性剥夺可显著增强肿瘤对铁死亡的敏感性，并且与PD-1抗体协同抑制肿瘤进展，增强T细胞介导的抗肿瘤免疫反应（8）。在上述两项研究中，胱氨酸均是铁死亡的重要媒介。
目录
1. Brain, Behavior, and Immunity | 肠道衍生代谢物介导儿童认知发展：小鼠的早期粪便移植在整个成年期具有持久影响
2. Cellular & Molecular Immunology | 共生白色念珠菌的代谢产物增强巨噬细胞的杀菌活性并防止脓毒症发生
3. Molecular Neurodegeneration | 在AD小鼠模型中油脂乙醇酰胺促进PPARα和TFEB信号传导并减弱Aβ病理
4. Nature Cell Biology | 肠道鞘脂具有代际神经保护作用
5. Nature Neuroscience | 皮质星形胶质细胞通过调节突触兴奋和抑制平衡来调节雄性小鼠的优势行为
6. Immunity | 酮解作用通过影响组蛋白乙酰化来驱动CD8+T细胞效应功能
7. Cell Reports | HIF-1α通过促进乳酸生成和激活SLC1A1来驱动实体肿瘤的铁死亡抵抗
8. Nature Communications | 间歇性甲硫氨酸饥饿或可增强肿瘤免疫治疗效果
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第一篇、 Brain, Behavior, and Immunity | 肠道衍生代谢物介导儿童认知发展：小鼠的早期粪便移植在整个成年期具有持久影响
儿童早期神经认知发育的延迟被认为是成年生活中精神障碍的预测因素，结合微生物群和代谢组数据的多组学方法可提供对肠脑串扰效应器和潜在机制的见解。本研究检测分析了儿童（粪便，尿液）和小鼠（粪便，血浆）的代谢组特征，并评估了菌粪移植（FMT）后小鼠的粪便微生物群组成，结合饮食为儿童神经发育提供营养治疗线索。
1. 将部分儿童粪便样本移植到小鼠体内，发现认知表型可通过移植而转移。代谢组学结果显示，儿童和FMT受体小鼠中存在一致的预测认知表型的共同代谢物，其中认知表型与儿童甘露糖和小鼠木糖、阿拉伯糖呈正相关，与乙酸盐和丁酸盐呈负相关。
2. 进一步研究发现儿童和受体小鼠的认知评分相关，并观察到依赖于FMT的脑代谢修饰。接受来自高认知或富含保护性代谢物儿童的FMT的小鼠在成年期也能表现出较好的认知行为表现。参与炎症、嘌呤代谢和神经递质合成的黄嘌呤、次黄嘌呤、甲酸盐、甘露糖、酪氨酸、苯丙氨酸和谷氨酰胺介导了供体儿童和受体小鼠的肠道认知轴。
3. 菌群测序结果显示，FMT受体小鼠与假手术组小鼠在α多样性、β多样性与菌群丰度方面存在差异。颈动脉中的血管阻力和压力数据解释了部分代谢物与认知发展的关系。分析儿童的饮食信息后发现，儿童食用豆类、全脂酸奶和鸡蛋，以及摄入铁、锌和维生素D可能获得保护性的肠道代谢物。
参考文献
Gut-derived metabolites mediating cognitive development in 5-year-old children: Early-life transplant in mice has lasting effects throughout adulthood. Brain, Behavior, and Immunity. 2023.
第二篇、Cellular & Molecular Immunology | 共生白色念珠菌的代谢产物增强巨噬细胞的杀菌活性并防止脓毒症发生
肠道微生物组被认为是脓毒症发展的关键调节因子。然而肠道菌群对脓毒症发展的贡献仍未完全了解。本研究通过综合代谢组学和真菌基因工程数据分析，发现白色念珠菌衍生的苯丙酮酸（PPA）可增强巨噬细胞的杀菌活性并防止脓毒症发生。
1. 首先在受试者人群中发现与健康受试者相比，细菌性脓毒症患者的白色念珠菌显著减少。基于盲肠结扎穿刺（CLP）攻击小鼠模型的实验表明，白色念珠菌培养物上清液中存在预防脓毒症的活性分子。体外细胞实验同样证实，白色念珠菌培养物上清液的有益作用与巨噬细胞杀菌活性的增加有关。
2. 对上白色念珠菌培养上清液（Sup）和空白培养基进行了非靶向代谢组学分析，发现Sup中的PPA水平显著高于培养基。随后的体内外实验证明了白色念珠菌衍生的PPA在预防脓毒症方面的关键作用，且可能与巨噬细胞有关。从机制上讲，PPA可直接与Sirtuin 2（SIRT2）结合，并增加活性氧（ROS）的产生从而发挥清除细菌的作用。
3. 进一步研究显示Sup或PPA可促进细菌清除并对脓毒症猪的器官具有保护作用。PPA的处理增加了脓毒症患者人血单核细胞来源的巨噬细胞（MDM）对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀灭作用，并与患者脓毒症严重程度的标志物呈负相关，整体强调了PPA可能在人类细菌性脓毒症中发挥关键作用。
参考文献
A metabolite from commensal Candida albicans enhances the bactericidal activity of macrophages and protects against sepsis. Cellular & Molecular Immunology. 2023.
第三篇、Molecular Neurodegeneration | 在AD小鼠模型中油脂乙醇酰胺促进PPARα和TFEB信号传导并减弱Aβ病理
作为内源性脂质，油酰乙醇酰胺 (OEA)已被证明可延长线虫的寿命；OEA在哺乳动物外周组织和中枢神经系统 (CNS) 中产生，并被发现在阿尔茨海默症（AD）患者中下调。本研究发现OEA能够激活 PPARα 信号传导及其下游细胞表面受体 CD36 活性，增强小胶质细胞 β-淀粉样蛋白(Aβ)的摄取和清除。
1. 通过表达谱和细胞实验，确认了大龄小鼠或AD患者大脑中Ppara和Cyp4a14表达下降，与 Aβ 病理学相关的 PPARα 通路减少， PPARα 和 TFEB 信号通路可能存在互作。用OEA类似物KDS-5104处理细胞发现其直接作用于 PPARα，上调其下游基因表达，间接作用于 TFEB 转录和信号传导以增强 PPARα 活性。
2. TFEB 活性受 mTORC1严格调控。然而，KDS- 5104处理细胞后，未观察到 pS6K表达和Akt活性受影响。KDS-5104处理BV2细胞和小胶质细胞导致溶酶体含量增加，支持 OEA/KDS-5104 以 PPARα 依赖性方式促进溶酶体产生和活性增加。KDS-5104 处理小胶质细胞导致多种吞噬相关基因增加并通过荧光标记珠摄取分析证实。与对照相比，KDS-5104 处理小胶质细胞的剩余 Aβ 百分比显著降低，CD36参与介导Aβ摄取。
3. KDS-5104处理可减少 LPS 诱导的神经炎症以及脂滴形成，并且这些作用依赖于 PPARα。脂质失调是 AD 发展的关键事件。小鼠接受KDS-5104处理后没有异常行为，但皮质和肝脏中 PPARα 和 TFEB 通路基因的表达增加;在KDS-5104处理的AD小鼠（5xFAD）中也发现相关指标增加。非靶向脂质组学分析发现，5xFAD 小鼠156 种脂质通过 KDS-5104 治疗恢复。病理学分析结合相关指标检测发现，KDS-5104 治疗可致 5xFAD 小鼠突触标记物表达增加，减轻 Aβ 病理学和认知缺陷。
参考文献
Oleoylethanolamide facilitates PPARα and TFEB signaling and attenuates Aβ pathology in a mouse model of Alzheimer’s disease. Molecular Neurodegeneration. 2023.
第四篇、Nature Cell Biology | 肠道鞘脂具有代际神经保护作用
动物暴露于环境和饮食会改变后代的生理和发育。小RNA、DNA甲基化和染色质修饰的表观遗传机制，并不能回答母体新陈代谢和供给改变是否会影响后代的神经元健康这一难题。本研究使用丽隐杆线虫轴突脆性模型，发现补充天然熊果酸（UA），特别是在卵母细胞生成过程中，能促进轴突运输并降低线虫代际间的轴突脆性。
1. 在天然产物筛选中， UA是mec-17(ok2109); lon-2(e678) 中轴突脆性的抑制因子。喂食UA后mec-17(ok2109); lon-2(e678)运动性或体长没有变化，其后代轴突变性减少。秀丽隐杆线虫P0阶段暴露于UA可减少F1和F2代中的PLM轴突断裂，表明UA的健康作用在配子中积累并表现为代际间的神经保护作用。这主要是由于UA通过刺激母体卵黄中的替代因子，优化卵母细胞/胚胎环境以促进轴突健康。
2. 转录组分析发现神经酰胺酶1（asah-1）显著变化，UA处理asah-1缺陷母体并不能改善后代PLM 轴突脆性。使用GFP标签，发现UA在肠道中能激活asah-1的启动子并通过单细胞测序证实asah-1肠道表达。然而，使用异源启动子也能减少PLM轴突断裂。肠道asah-1表达降低了微管稳定性缺陷动物的PLM轴突脆性，其表达不当则导致细胞自主神经发育缺陷。
3. 肠道sptl-1/sphk-1的表达与mec-17(ok2109); lon-2(e678)的PLM轴突断裂相关，并通过RNAi证实UA神经保护作用是S1P依赖性的；肠道S1P在卵黄内转运至卵母细胞；通过使用S1P-荧光素喂养观察到卵黄依赖性肠-卵母细胞运输，S1P神经保护需要rme-2。UA和S1P可以在不同的遗传和神经元背景下促进轴突健康，而PQM-1和CEH-60是UA诱导asah-1以及响应UA暴露的神经保护所必需的。
参考文献
An intestinal sphingolipid confers intergenerational neuroprotection. Nature Cell Biology. 2023.
第五篇、Nature Neuroscience | 皮质星形胶质细胞通过调节突触兴奋和抑制平衡来调节雄性小鼠的优势行为
社会等级的形成对个体和群体的发展和稳定至关重要。星形胶质细胞是三方突触的组成部分，在神经网络的功能中起着重要作用，可以精确地协调中枢和外周神经系统的突触形成/消除和活动调节，释放各种类型的胶质递质来监测、支持和调节兴奋性和抑制性（E/I）神经元活动。本研究发现皮层胶质细胞调节突触E/I平衡影响雄鼠的社会等级，可通过人为调控星形胶质细胞活动，改变已建立的社会等级。
1. 将编码hM3Dq的AAV（AAV5-gfaABC1D-hM3Dq-mCherry）（人类M3乙酰胆碱受体的腺相关病毒载体）注射到等级4（等级越高越劣势）小鼠的右PL区域（大脑背侧前额叶），并腹腔注射CNO（药物）激活星胶活动。研究发现第4等级小鼠在地位上升高，dmPFC星胶的激活可能直接影响小鼠的优势行为。
2. 使用体外急性脑片和体内微透析技术测量药理激活后的dmPFC星形胶质细胞释放的星胶递质—谷氨酸和ATP的胞外水平，发现经星形胶质细胞激活后，注射 gfaABC1D-hM3Dq（可使hM3Dq受体在星形胶质细胞中得到特异性的表达）的小鼠急性dmPFC切片中谷氨酸和ATP均升高。
3. 进一步通过微透析在体内证实，化学基因激活星形胶质细胞后，dmPFC的胞外谷氨酸水平逐渐增加，在1小时内持续增加。胞外ATP水平在星胶激活后30分钟达到峰值，60分钟和90分钟恢复到基础水平。
参考文献
Cortical astrocytes modulate dominance behavior in male mice by regulating synaptic excitatory and inhibitory balance. Nature neuroscience. 2023.
第六篇、Immunity | 酮解作用通过影响组蛋白乙酰化来驱动CD8+T细胞效应功能
CD8+T细胞在宿主防御中起着核心作用，通过细胞代谢来支持其效应功能，营养的有效性对T细胞功能至关重要，而感染会引发宿主代谢的变化，影响感染的发病机制和疾病耐受性。然而，目前对于免疫应答过程中T细胞内在的代谢底物、代谢程序如何与宿主代谢变化协同作用的尚不清楚。本研究确定了细胞内在酮解是最佳CD8+T细胞效应反应的代谢和表观遗传驱动因素。
1. 通过meta分析发现，在功能Teff细胞群中富集了与CD8+T细胞毒性相关的基因，而功能失调的CD8+T细胞显示与T细胞衰竭和炎症信号相关的基因富集，其中，KBs的合成和降解是功能CD8+T细胞中富集程度最高的代谢途径。
2. 通过[U-13C4]代谢流实验，[U-13C4]-βOHB衍生的碳在TCA循环中间体中含量最高，对柠檬酸盐（M+2）池的贡献是[U-13C4]-葡萄糖的5倍。将活化的CD8+Teff细胞与[U-13C6]-葡萄糖和[2,4-13C2]-βOHB一起培养，发现第一轮TCA循环中产生的代谢中间体将被标记为来自βOHB的M+1和来自葡萄糖的M+2。
3. 离体同位素示踪实验显示，从感染小鼠中分离的CD8+Teff细胞持续优先利用βOHB而非葡萄糖为三羧酸循环提供燃料。短时体内示踪显示，CD8+Teff细胞可迅速摄取并氧化注入体内的βOHB。
4. 用[U-13C4]-βOHB培养体外活化的CD8+T细胞，并通过质谱法测定13C标记的乙酰基团在组蛋白H3上的富集程度，发现来自[U-13C4]-βOHB的碳在组蛋白H3K27上富集，而在Bdh1-/- T细胞中却没有这种富集现象。
参考文献
Ketolysis drives CD8+T cell effector function through effects on histone acetylation. Immunity. 2023.
第七篇、Cell Reports | HIF-1α通过促进乳酸生成和激活SLC1A1来驱动实体肿瘤的铁死亡抵抗
实体瘤对铁死亡（ferroptosis）具有很强的耐药性，而在实体瘤中调控铁死亡抵抗的机制仍不明晰。缺氧诱导因子1α（hypoxia-inducible factor 1α, HIF-1α）是缺氧肿瘤微环境的主要驱动因子，通过调节糖酵解和谷氨酸代谢共同促进实体瘤细胞铁死亡抵抗。本研究确定了HIF-1α抑制剂和铁死亡诱导剂（FIN）联合治疗可作为一种新的有效的实体肿瘤治疗策略。
1. 给予皮下荷瘤小鼠铁死亡诱导剂柳氮磺吡啶（SAS）治疗，发现缺氧与铁死亡区域存在明显的空间互斥性，并在体外研究证实缺氧会明显导致铁死亡抵抗。由此推测缺氧导致铁死亡抵抗在实体肿瘤中普遍存在。
2. 分别构建了HIF-1α、HIF-2α单基因敲除及双重敲除的细胞系，发现敲除HIF-1α促进铁死亡敏感，而敲除HIF-2α促进铁死亡抵抗。HIF-1/2α双重敲除也显著促进了铁死亡敏感，这提示HIF-1α可能是缺氧抵抗铁死亡的主要驱动因素，且可抵消HIF-2α对铁死亡的增敏作用。探究了多种糖酵解产物的影响，发现乳酸以pH依赖的方式有效促进铁死亡抵抗。并且乳酸脱氢酶LDHA和LDHB的双重敲除有效促进了铁死亡敏感性。
3. 进一步的研究发现缺氧可以显著上调谷氨酸转运体（SLC1A1），且敲除HIF-1α后SLC1A1表达明显降低。SLC1A1是一种钠依赖性谷氨酸转运体，可以主动将细胞外谷氨酸回收到细胞中，提高了System xc-蛋白摄取胱氨酸的效率。HIF-1α作为SLC1A1上游转录因子，可以激活其表达，促进谷氨酸摄取，进而交换更多细胞外胱氨酸，最终导致铁死亡抵抗。
参考文献
HIF-1α drives resistance to ferroptosis in solid tumors by promoting lactate production and activating SLC1A1. Cell Reports. 2023.
第八篇、Nature Communications | 间歇性甲硫氨酸饥饿或可增强肿瘤免疫治疗效果
甲硫氨酸（methionine，Met）限制饮食能够抑制多种类型的肿瘤在体内的生长，并且增强肿瘤对化疗和放疗的敏感性。然而，Met限制饮食干预对靶向肿瘤铁死亡疗法以及免疫治疗的影响尚不清楚。本研究发现Met的长期缺乏和短暂饥饿对肿瘤细胞铁死亡具有截然相反的调控作用。饮食中Met的间歇性剥夺可显著增强肿瘤对铁死亡的敏感性，并且与PD-1抗体协同抑制肿瘤进展，增强T细胞介导的抗肿瘤免疫反应。
1. 在体外的氨基酸剥夺实验中发现胱氨酸（Cyss）单独缺乏可以显著诱导铁死亡的发生，但Met的同时缺乏反而抑制了Cyss缺乏诱导的铁死亡。
2. 检测细胞内的谷胱甘肽（GSH）含量发现，虽然单独缺乏Cyss或Met都能够降低细胞内的GSH含量，但Met的同时缺乏逆转了Cyss缺乏导致的GSH下降。对肿瘤细胞进行短暂的（8h）Met饥饿预处理后再给予Cyss单独缺乏的处理，反而促进了铁死亡，同时促进了胞内GSH含量的下降。
3. 在荷瘤小鼠中，长期给予Met缺乏的饮食则会抑制肿瘤铁死亡的发生，而间歇性的Met饮食缺乏能够显著增强肿瘤对铁死亡诱导剂的敏感性。
4. 在肿瘤细胞与特异性CD8+T细胞共培养的体系中，发现Met的短暂饥饿也会显著增强CD8+T细胞介导的杀伤作用。 Met的短暂饥饿通过上调CHAC1的表达，增强GSH的降解，从而促进铁死亡的发生。因此肿瘤细胞CHAC1的缺失能够抑制铁死亡，同时也会抑制CD8+T细胞对肿瘤细胞的杀伤作用。
参考文献
Intermittent dietary methionine deprivation facilitates tumoral ferroptosis and synergizes with checkpoint blockade. Nature Communications. 2023.
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