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绘谱导读︱2021年3月代谢组学文献精选

麦特绘谱

2021.4.01

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Cell Metabolism | 从肠-脑轴研究孕母高纤饮食有利于肥胖诱导的子代神经发育社交障碍的作用机制

越来越多的研究表明母亲在怀孕期间出现肥胖症状与后代的认知和神经发育障碍密切相关，然而母体肥胖与后代神经发育之间的具体关系和作用机制仍不清楚，因而缺乏有效的干预手段。本文通过对人群和动物实验解释了肠道菌群及代谢产物在高膳食纤维饮食改善母代肥胖引起的子代认知和社交功能损伤中的相关机制，为高膳食纤维饮食对生命早期神经发育的精准营养干预治疗提供了新的策略。

(1) 对778名7至14岁中国儿童的运动、爱好、学习能力、人际交往等20项社交能力项目表现进行量化打分，并统计儿童及其母亲的体重等信息。线性回归分析发现，孕前超重母亲的孩子的认知和社会能力得分显著低于体重正常母亲的孩子，说明母亲孕前或孕期肥胖将影响后代的神经发育；

(2) 对孕前雌鼠分别进行了高脂饮食（mHFD），高脂-高纤维饮食（mFFD），高纤维饮食（mFD）和对照四种处理，之后对其后代的社交行为进行评估，结果发现，与高脂饮食相比，高纤维喂养减轻了雌鼠体重，且显著改善了后代小鼠的记忆认知和社交能力。而对母体和后代小鼠的肠道菌群的宏基因组测序结果也显示，膳食纤维改变了高脂饮食组和高脂-高纤维饮食组间母亲和后代的菌群结构组成，高脂-高纤维饮食组样本中含有丰富的与小鼠认知和社交行为的增加呈正相关的S24-7科细菌，而在单纯高脂组（mHFD）样品中没有；

(3) 突触后密度和小胶质细胞失调与神经发育相关，对雌鼠后代中的海马突触超微结构及小胶质细胞相关基因的表达水平进行了检测，发现与高脂组相比，高脂-高纤维组的突触后密度长度和宽度显著增加，小胶质细胞成熟基因MAFB及BDNF，NGF等小胶质细胞-神经元相互作用基因的表达水平也更高。表明孕期或孕前摄入高纤维可保护后代免受由母体肥胖引起的突触损伤和小胶质细胞成熟的破坏；

(4) 为了验证肠道中的微生物代谢产物是否会影响神经系统障碍的预后。研究人员检测了子代小鼠粪便中的短链脂肪酸（SCFA）水平，发现膳食纤维处理改善了高脂诱导的子代粪便中乙酸和丙酸的水平降低，而这两种SCFA也与肠道菌类群显著相关。采用雌鼠菌群移植和子代共笼、SCFA干预等试验，进一步证实了高膳食纤维饮食，或服用含乙酸盐和丙酸盐的膳食纤维补充剂可通过调节肠道菌群及代谢，有效营养神经发育，改善母体肥胖引起的后代认知和社交行为缺陷。

High-fiber diet mitigates maternal obesity-induced cognitive and social dysfunction in the offspring via gut-brain axis . Cell Metabolism. 2021. https://doi.org/10.1016/j.cmet.

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Cell Metabolism | 脂代谢分子CD36介导铁死亡调节肿瘤内CD8⁺T细胞功能的新机制

随着技术不断发展，免疫治疗有效地延长了许多肿瘤患者的生存周期，但免疫治疗仍然有很大的局限性，引起这一局限的主要原因之一是在肿瘤环境中CD8⁺T 细胞功能的衰竭。之前的研究发现脂代谢在T细胞的发展和功能维持中发挥着重要作用，肿瘤环境中的胆固醇可诱导CD8⁺T细胞功能衰竭，抑制胆固醇代谢可增强CD8⁺T细胞抗肿瘤功能。本文发现肿瘤环境中的胆固醇可以诱导CD8⁺T细胞CD36表达的升高，进而摄取过多的脂肪酸，引发了脂质氧化损伤和铁死亡，导致了其杀伤性功能的丧失，从而促进肿瘤的生长。

(1) 对黑色素肿瘤患者CD8⁺T细胞进行分析，发现在生存周期短的患者CD8⁺T细胞的一种脂代谢分子——CD36表达更高。此外，在多发性骨髓瘤患者中，CD36的表达与肿瘤的进展正相关。同时发现在小鼠黑色素瘤和多发性骨髓瘤模型中，CD36的表达也与肿瘤进展正相关，并且CD36缺失的小鼠肿瘤生长更慢。进一步研究发现，CD36会影响CD8⁺T细胞分泌杀伤性的细胞因子，从而影响CD8⁺T细胞的抗肿瘤作用；

(2) 为了解释CD36如何调节CD8⁺T细胞功能的具体机制，研究人员通过RNA-Seq和单细胞测序分析发现，CD36的表达与脂质过氧化和铁死亡密切相关。铁死亡主要是由于细胞内的脂质过氧化物的堆积引起的。通过LC-MS分析游离脂肪酸和酯化脂肪酸，发现CD36通过摄取肿瘤环境中的脂肪酸，尤其是多不饱和脂肪——花生四烯酸，导致CD8⁺T细胞内脂质过氧化物堆积，铁离子含量升高，铁死亡增多，杀伤性的细胞因子分泌减少。通过阻断CD36表达，或者添加铁死亡抑制剂，可以显著减少CD8⁺T细胞内脂质过氧化物含量，增加杀伤性分泌分子的表达，恢复细胞功能；

(3) 为了进一步模拟临床治疗效果，研究人员对黑色素瘤负荷小鼠进行免疫治疗。结果表明，过继性疗法输入CD36缺失或者铁死亡抑制剂处理的CD8⁺T细胞，可以显著延长CD8⁺T细胞在体内的存活时间，取得了更好的抗肿瘤效果。此外，如果本疗法与PD1进行联合免疫治疗，可以进一步抑制肿瘤生长，延长小鼠存活周期。

CD36-mediated ferroptosis dampens intratumoral CD8⁺ T cell effector function and impairs their antitumor ability. Cell Metabolism. 2021. https://doi.org/10.1016/j.cmet.

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Nature Communications︱COVID-19患者免疫代谢重编程

由高感染性严重急性呼吸系统综合症冠状病毒2（SARS-CoV-2）引起的冠状病毒2019（COVID-19）已成为全球流行病，迫切需要有效的治疗策略。细胞因子释放综合征（Cytokine release syndrome，CRS）是SARS-CoV-2感染致重症COVID-19患者多器官损伤和死亡的主要原因。代谢可以调节机体对感染性疾病的免疫反应，但对COVID-19患者宿主代谢与炎症反应的关系以及对细胞因子释放的影响的认识仍然有限。本文利用新冠患者血清样本进行了相关分析表明代谢物和促炎细胞因子/趋化因子之间的紧密联系，如动物实验进而发现精氨酸、色氨酸、嘌呤代谢与炎症反应之间存在潜在的调控串扰。本研究提示改变代谢物可能是治疗COVID-19致死性CRS的一种潜在策略。

(1) 收集17名健康对照者、14名轻症和23名重症COVID-19患者血清样本进行代谢组学和细胞因子分析。通过靶向代谢组和非靶向代谢组共鉴定到253种代谢物。在对照组和轻症患者筛选到89个显著改变的差异代谢物，而在对照组和重症患者筛选到88个差异代谢物。富集分析结果显示，轻度和重度患者的初级胆汁酸生物合成、氨基酸代谢和核酸代谢均受到明显干扰；

(2) 检测细胞因子水平发现COVID-19患者的28种细胞因子和趋化因子显著升高。细胞因子和代谢产物关联分析结果显示，宿主代谢重编程与CRS相关的炎症细胞因子(如IL-6、IL-1β、M-CSF、IL-12 p70、IFN-α2)高度相关。而重症患者代谢物与细胞因子关联分析表明，精氨酸代谢、色氨酸和NAD+代谢、嘌呤和嘧啶代谢等代谢途径的紊乱与COVID-19的过度炎症密切相关；

(3) 对症状发作后4-36天住院的7名轻度患者的代谢产物和细胞因子数据进行c-均值聚类分析结果显示，SARS-CoV-2感染后有急性抗体反应的患者具有不同的代谢和免疫特征。不同时间点细胞因子热图表明，住院轻症患者中炎症免疫反应的缓解可能伴随着临床康复；

(4) 对一只5岁雌性恒河猴进行了SARS-CoV-2感染。从SARS-CoV-2感染和模拟感染的恒河猴分离PBMC（外周血单核细胞），测量代谢产物或化合物干扰这些关键代谢途径后的细胞因子水平。结果表明，补充精氨酸和Epacadostat（一种IDO1（色氨酸途径关键酶）抑制剂）均显著抑制SARS-CoV-2诱导的PBMC促炎细胞因子（CRS有关）释放，而干扰嘌呤代谢后炎症加剧。表明血清精氨酸、色氨酸代谢可能在SARS-CoV-2诱导的炎症反应中起到缓解和改善作用。

Integrated cytokine and metabolite analysis reveals immunometabolic reprogramming in COVID-19 patients with therapeutic implications. Nat Commun. 2021. doi: 10.1038/s41467-021-21907-9.

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Cell︱剖析宿主遗传学和微生物组在复杂行为中的贡献

传统观点认为，遗传变异直接影响大脑发育和功能，是神经系统疾病相关行为症状的主要驱动因素。而实际上个体的表型可能来自宿主基因和微生物之间的复杂相互作用。鉴于遗传变异能够影响肠道微生物生态，肠道微生物群能够通过肠脑轴以强有力的方式调节与神经功能障碍相关的宿主行为。本研究发现肠道中的微生物可诱发与复杂神经系统疾病相关的某些疾病症状，揭示了遗传变异、微生物组及其相互作用对复杂行为的贡献。

(1) 对野生型（WT; Cntnap2^+/+）和基因敲除（KO; Cntnap2^-/-）小鼠的社交行为进行测试，结果显示与WT-I小鼠相比，KO-I小鼠社交能力受损。16s测序结果显示KO小鼠拥有不同于WT-I小鼠的肠道微生物组成。而来自同窝（KO-L）的Cntnap2^-/-小鼠与野生型同窝小鼠（WT-L）表现出相似的社交行为和肠道微生物群，不过仍表现出多动行为；

(2) 将KO-I与WT-I小鼠共同饲养，KO-1小鼠不再表现出社交行为缺陷，但仍有多动行为。而对同窝WT-L和KO-L小鼠分离后隔代的WT和KO小鼠（WT-T和KO-T）进行社交行为测试发现KO-T小鼠出现社会行为缺陷，肠道微生物群组成发生改变，但并未改变其多动行为；

(3) 将来自分离（WT-I和KO-I）和同窝（WT-L和KO-L）系供体的FMT移植到GF小鼠。在行为分析中，GF小鼠表现出社交能力受损，而含野生型微生物群来源的FMT能挽救GF小鼠的行为缺陷，但不会改变GF小鼠的多动行为。表明Cntnap2^-/-小鼠的社交行为缺陷是由微生物组的改变所介导；

(4) 有研究表明用共生细菌罗伊氏乳杆菌进行微生物干预可以逆转社交缺陷。本研究通过qPCR测定发现KO-I小鼠的罗伊氏乳杆菌水平降低。通过罗伊氏乳杆菌治疗可逆转KO-1小鼠的社交缺陷，而并未影响KO-1小鼠的多动行为。罗伊氏乳杆菌是通过选择性地增加四氢生物蝶呤（BH4）合成途径的代谢物，进而逆转Cntnap2^-/-小鼠的社交缺陷。

Dissecting the contribution of host genetics and the microbiome in complex behaviors. Cell. 2021. doi: 10.1016/j.cell.

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Nature communications︱新冠病毒通过捕获叶酸和一碳代谢进行病毒复制

最近鉴定出的严重急性呼吸系统综合症冠状病毒2（SARS-CoV-2）是一种有包膜的单链正义RNA冠状病毒。SARS-CoV-2迅速传播，在不到1年的时间里在世界范围内造成近100万人死亡。这种新型的β-冠状病毒和更广泛的冠状病毒如何改变细胞代谢以维持约30 kB病毒基因组和亚基因组病毒RNA的大量生产仍然是未知的。本研究结合转录和代谢组学分析，发现甲氨蝶呤可抑制病毒所需的一碳代谢途径。

(1) 研究者对Vero E6 TMPRSS2+细胞进行了SARS-CoV-2感染模拟，感染后8小时进行转录和代谢组学分析，发现这是病毒生命周期完成但对宿主细胞生长或存活产生明显影响之前的早期时间点；

(2) 结果显示感染SARS-CoV-2后8 h，病毒基因组RNA（gRNA）和核衣壳蛋白（Np）的产生明显增强，在转录水平上重塑宿主叶酸和一碳代谢，以维持嘌呤从头合成，从而将葡萄糖生产的构件转移到嘌呤碱基的组装上，这是产生大量病毒RNA所必需的；

(3) 为了交叉比较同一细胞内SARS-CoV-2介导的转录和代谢变化，使用了六份平行的样品，对培养基和细胞沉淀物进行了代谢组学分析。在SARS-CoV-2感染的细胞中，细胞内的葡萄糖和叶酸显著降低，而代谢叶酸的一碳代谢是过度活跃的，为病毒提供更多的碳基团以制备DNA和RNA的碱基；

(4) 病毒复制对叶酸和一碳代谢抑制剂（尤其是甲氨蝶呤）非常敏感。甲氨蝶呤，通常用于治疗关节炎等自身免疫性疾病，可能是COVID-19的候选治疗药物。本研究试图找到一种防止病毒利用细胞的代谢途径自我复制的方法，这可能会限制病毒进化抗性的能力，以宿主代谢为目标的疗法或能抵御未来的冠状病毒爆发。

SARS-CoV-2 hijacks folate and one-carbon metabolism for viral replication. Nature Communications. 2021. doi: 10.1038/s41467-021-21903-z.

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Nature Medicine︱大队列血浆代谢组揭示不同疾病的共有代谢通路

目前，全球四分之一疾病患者同时患有两种或多种慢性病，称为多病症（multimorbidity）。非传染性疾病（NCD）多病症的发病率持续增加，这对全球卫生保健系统构成了重大挑战。关于进行大型前瞻性队列研究的深入分子概况以及全面、长期的临床随访未见报道，也缺乏关于共同风险基础和驱动因素的详细信息，而这些信息是建立预防和管理多病症所必需的。本研究利用临床大队列代谢组学分析发现能够增加个体罹患一种甚至多种非传染性疾病可能性的关键风险因素，这些疾病包括心血管疾病、癌症、慢性呼吸系统疾病和糖尿病等。

(1) 纳入欧洲癌症前瞻性队列研究（EPIC）中的1.1万多名参与者的住院电子病历和癌症登记数据，采用1014种代谢物的基线血浆代谢组学分析作为人类生理学的综合指标，检测参与者血液样本中不同分子的浓度，然后分析单个代谢物的浓度是否与27种严重疾病的发病相关；

(2) 对机体的1014种代谢产物的水平进行分析，这些代谢物如糖类、维生素或脂质能够客观反映机体遗传特性、生活方式、环境、医疗条件和肠道微生物组对机体生理学的影响和相互作用。结果发现，至少2种NCD之间共有420种代谢物，占与疾病显著相关的640种代谢物的65.5％；

(3) 研究者们整合50多种不同的临床风险因素和特征基线数据，以此来确定这些代谢产物所代表的可操作的共享通路，相关结果强调了机体的肝肾功能、脂质和葡萄糖代谢、低度炎症、肠道微生物多样性的替代物以及特定的健康相关行为是非传染性多病症的前兆，具有早期预防的潜力；

(4) 研究人员识别并记录这些代谢产物与27种不同的非传染性疾病之间的关联，发现几乎一半的代谢产物都与27种疾病中至少一种疾病有关。三分之二疾病相关的代谢产物都被多种疾病所共享，其中N-乙酰神经氨酸血浆水平的升高或与14种疾病的高风险有关；

(5) 该结果整合到开放式网络服务器（https://omicscience.org/apps/mwasdisease/）中，以最大程度地利用此资源，方便将来的研究分析。

Plasma metabolites to profile pathways in noncommunicable disease multimorbidity. Nature Medicine. 2021. doi: 10.1038/s41591-021-01266-0.

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Nature Communications︱肝癌蛋氨酸代谢驱动T细胞衰竭

肝细胞癌（HCC）是全球第四大致命性恶性肿瘤，HCC中浸润性T细胞的衰竭与临床结果差有关，然而HCC中T细胞衰竭的诱因以及肿瘤代谢是否导致T细胞功能障碍尚未明确。本研究对HCC进行基因组、转录组、代谢组和单细胞转录组等研究阐述HCC患者T细胞衰竭的原因，以及肿瘤代谢是否驱动T细胞功能障碍等科学问题。

(1) 对5063个HCC相关T细胞（GSE98638）的单细胞转录组数据进行分析，鉴定出82个T细胞衰竭特异性基因，并根据Cox比例风险模型发现YARS、TPI1、PKM和MTHFD2组合最能区分HCC患者的生存情况，产生的加权衰竭评分（ES）可推断出T细胞衰竭程度。以TIGER-LC队列作为发现集，以247名中国患者（LCI队列）和366名美国患者（TCGA队列）作为验证集，证明ES得分高的患者确实存在T细胞功能障碍；

(2) 分析TIGER-LC队列的肿瘤特异性代谢组数据，共检测到718种代谢物，其中发现21种与ES显著相关的代谢物。肝癌患者蛋氨酸代谢途径中的5-甲基硫腺苷（MTA）和S-腺苷蛋氨酸（SAM）升高最为显著， SAM/MTA水平与ES呈正相关，SAM和MTA参与蛋氨酸回补途径以维持蛋氨酸池平衡。T细胞衰竭程度与肝癌蛋氨酸回补通路表达呈正相关，并在单细胞RNA测序数据中得到证实。参与蛋氨酸代谢通路的基因在HCC中高表达且与特定的蛋氨酸代谢重编程改变相关，或将驱动HCC进展；

(3) 在上述三个队列中发现较高的肿瘤回补-新生合成比率与患者预后较差密切相关，对TIGER-LC队列中51例HCC患者肿瘤组织和相应的血清样本进行代谢组学分析并定量MTA水平，高血清MTA水平与HCC肿瘤中蛋氨酸回补途径的激活和更差的患者生存相关，并在102例中国HCC患者队列中得到验证，可见血清MTA水平可作为HCC患者生存期的生物标志物；

(4) SAM或MTA不会改变CD8+T细胞增殖潜力，但会显著降低细胞数量。SAM和MTA处理的CD8+T细胞中耗竭相关转录因子TOX和Tbet表达显著升高，可见SAM和MTA在体外诱导T细胞功能障碍；MAT2A是产生SAM/MTA的关键酶，CRISPR-CAS9介导的MAT2A缺失可抑制小鼠T细胞功能障碍和HCC生长；

Tumor methionine metabolism drives T-cell exhaustion in hepatocellular carcinoma. Nature Communications. 2021. https://doi.org/10.1038/s41467-021-21804-1.

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Nature communications︱皮脂代谢组学揭示帕金森病的脂质失调

帕金森病（PD）是一种进行性神经退行性疾病，PD主要病理特征是在脑干形成聚集的α-突触核蛋白沉积物。临床医生主要根据运动功能下降（即运动迟缓、静息性震颤、僵直和姿势不稳）的表型来诊断。近来来血液、唾液和脑脊液（CSF）代谢物如儿茶酚胺、多巴胺、氨基酸、尿酸盐和犬尿氨酸被广泛用于PD诊断研究；非运动症状如情绪障碍、睡眠障碍和嗅觉障碍等被认为先于运动症状20年出现，脂溢性皮炎是一种常见的非运动症状并在60%的帕金森患者中存在。本研究选用富含脂质的皮脂（一种无创可用的生物液体）进行代谢组学研究，以期寻找可以预测PD表型的代谢物。

(1) 采用LC-MS对274例皮脂样本（80例用药初期 PD, 138例药物PD和56例匹配良好的对照受试者）进行代谢组学研究，筛选出10个显著差异代谢物，其中神经酰胺、三酰甘油和脂肪酰基类代谢产物在PD中下调，而糖-鞘脂和脂肪酰代谢物则在PD中上调，通路富集分析显示与肉碱穿梭、鞘脂代谢、花生四烯酸代谢和脂肪酸生物合成相关的脂代谢发生改变；

(2) Mummichog分析显示肉碱穿梭是与帕金森病药物使用有关最重要的途径。该途径在药物治疗的PD队列中显著增加和富集。肉碱穿梭通过酰基肉碱基质辅助运输进入线粒体，促进长链脂肪酸（LCFA）β-氧化，从而高度参与能量代谢。与β-氧化不足相关的长链酰基肉碱减少，以前曾被报道为潜在的糖尿病诊断标志物；

(3) 鞘脂代谢途径在药物治疗和药物治疗初期的PD患者中都得到了富集。鞘脂是一种主要的脂类，在富含脂类的身体结构（如皮肤）中含量丰富，在细胞信号和调节中起着重要作用；

(4) 本研究表明皮脂可以用来识别PD的潜在生物标志物，但仍需进一步整合公用数据库（Lipid Maps和METLIN）和自建库资源从而扩大代谢物的注释，以增加代谢物鉴定的可信度。

Eleanor Sinclair, Monty Silverdale & Perdita Barran,et al. Metabolomics of sebum reveals lipid dysregulation in Parkinson’s disease. Nature Communications. 2021. https://doi.org/10.1038/s41467-021-21669-4.

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