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绘谱导读 | 2023年7月代谢组学文献精选

麦特绘谱

2023.8.03

导读聚焦

●肿瘤代谢研究新成果

肿瘤微环境（TME）随着进展会产生营养和代谢物质的改变，葡萄糖或氨基酸组成也影响了肿瘤-免疫相互作用。Molecular Cell一篇论文发现了糖尿病等代谢性疾病促癌的重要机制：肿瘤细胞通过CRL4^COP1-p53信号轴感知环境葡萄糖丰度，动态调整p53蛋白水平，进而反馈增强葡萄糖吸收和糖酵解，同时该正反馈循环可固化瓦博格效应导致癌症发生。Nature Cell Biology的一文则揭示了天然免疫关键蛋白STING通过靶向HK2调控糖酵解，限制有氧糖酵解以促进抗肿瘤免疫。

另一篇Nature论文发现：癌细胞和免疫细胞之间存在着营养拉锯战，如果癌细胞使用了大部分的谷氨酰胺，就会导致树突状细胞缺乏谷氨酰胺，从而导致抗肿瘤免疫功能受损。但如果向肿瘤微环境补充足够的谷氨酰胺，树突状细胞会利用其激活T细胞的抗癌免疫反应，进而抑制肿瘤生长。

1. Molecular Cell | 葡萄糖诱导的CRL4^COP1-p53轴增强糖代谢以驱动肿瘤发生

2. Nature | 重新编程肿瘤相关巨噬细胞以战胜癌细胞

3. Cell Metabolism | 肠道菌群调节糖尿病患者远端对称性多发性神经病

4. Nature Neuroscience | 肠脑轴的多层次分析显示自闭症谱系障碍相关的分子和微生物特征

5. ACS Central Science | 高温烹调诱发的DNA损伤可能具有遗传风险

6. Nature | SLC38A2和cDC1中的谷氨酰胺信号通路决定了抗肿瘤免疫

7. Nature Cell Biology | 天然免疫关键蛋白STING通过靶向HK2调控糖酵解新机制

8. Cell Host & Microbe | 肠道细菌代谢有助于宿主嘌呤稳态

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Molecular Cell | 葡萄糖诱导的CRL4^COP1-p53轴增强糖代谢以驱动肿瘤发生

瓦博格（Warburg）效应是肿瘤细胞的特征性代谢方式，通过大量吸收葡萄糖和糖酵解为细胞增殖供能，为骤增的生物大分子合成提供中间产物。然而在既往研究中糖尿病与癌症之间的关联尚未得到充分解释，瓦博格代谢模式如何在极具异质性肿瘤中广泛实现尚不清楚。本研究阐释了糖尿病等代谢性疾病促癌的重要机制：肿瘤细胞通过CRL4^COP1-p53信号轴感知环境葡萄糖丰度，动态调整p53蛋白水平，进而反馈增强葡萄糖吸收和糖酵解，同时该正反馈循环可固化瓦博格效应导致癌症发生。

首先通过RNA测序发现葡萄糖摄取和糖酵解相关基因的表达在葡萄糖剥夺后显著降低。基因集富集分析筛选发现潜在的葡萄糖应答转录调控因子为p53。肿瘤抑制因子p53的一个重要抑癌途径是拮抗葡萄糖驱动的癌症代谢和瓦博格效应。

机制研究发现葡萄糖通过一条糖基化通路减弱CRL4与其抑制体CSN的结合而促进CRL4^COP1泛素连接酶的组装和拟素化修饰活化，并介导p53的泛素-蛋白酶体降解，促进瓦博格式致癌代谢。

通过PyMT/MMTV自发性乳腺癌模型小鼠及乳腺上皮特异p53敲除小鼠，在动物水平上对上述发现进行验证，证明高糖或者高脂喂养都可以激活CRL4^COP1，通过降解p53蛋白规避其对致瘤代谢和基因组不稳定的抑制，加快乳腺肿瘤的发生发展。而腹腔注射能够阻断COP1和p53结合的P28多肽可以稳定p53蛋白、对高脂喂养促进的肿瘤生长有很好的抑制效果，说明该信号轴具有治疗转化潜力。

参考文献

Glucose-induced CRL4^COP1-p53 axis amplifies glycometabolism to drive tumorigenesis. Molecular Cell. 2023.

Nature | 重新编程肿瘤相关巨噬细胞以战胜癌细胞

人体的各项功能是由不同细胞间的高度合作实现的，但合作背后也存在着细胞竞争，以控制细胞的质量。然而，这种机制有时可能适得其反，促进肿瘤癌细胞的选择。本研究深入探究饮食调节、免疫系统和癌细胞竞争之间的关系，揭示了一种免疫抗癌的全新机制，有望推动免疫疗法向全新方向发展。

使用由多瘤病毒中间肿瘤抗原（PyMT）驱动的乳腺癌转基因小鼠模型，该抗原激活PI3K。免疫荧光结果显示，与对照-PyMT小鼠相比， MYC-PyMT小鼠表现出较早的肿瘤发作和更快的肿瘤生长，加速的肿瘤表型与MYC数量的增加有关。加速的肿瘤表型与MYC高表达的癌细胞（MYChi）癌细胞以及由裂解的caspase-3和裂解的PARP1 染色定义的凋亡癌细胞数量的增加相关。证明mTORC1信号传导在促进MYC-PyMT小鼠中MYChi癌细胞的竞争适应性方面发挥着重要作用，并且在肿瘤侵袭中保留mTORC1活性MYChi获胜者癌细胞存在强大的选择压力。

与正常蛋白质（NP）饮食相比，低蛋白（LP）饮食选择性地抑制了MYC-PyMT小鼠的肿瘤生长。表明NP和LP饮食在癌细胞中与MYC-PyMT小鼠中的肿瘤相关巨噬细胞（TAM）具有相反的mTORC1调节功能，并且mTORC1超激活跟踪TAM生长和扩增。

单核RNA测序实验结果显示：在敲除了巨噬细胞的TFEB/TFE3蛋白后，LP饮食下，MYC-PyMT肿瘤中TAM的mTORC1信号被抑制，TAM的数量减少，使癌细胞的mTORC1信号得到了增强。结果表明，在LP饮食条件下，MYC-PyMT癌细胞中mTORC1信号传导和获胜细胞状态的丧失不是细胞自主的，而是依赖于通过TFEB和TFE3依赖性机制在TAM中获得mTORC1信号传导。

参考文献

Reprogramming tumour-associated macrophages to outcompete cancer cells. Nature. 2023.

Cell Metabolism | 肠道菌群调节糖尿病患者远端对称性多发性神经病

大约一半的糖尿病（DM）患者患有远端对称性多发性神经病（DSPN）。DSPN与死亡率增加、下体截肢、神经性症状表现出一定的相关性。目前缺乏对其发病机制的了解，临床无针对性的治疗方法。本研究揭示了肠道菌群与DSPN之间的潜在因果关系，这可能成为开发有效治疗方法的治疗靶点。

团队对DSPN、DM及血糖正常组（NG）进行了16S测序，发现菌群在α、β多样性方面存在显著差异，三组间存在51个ASV差异序列，部分与短链脂肪酸（SCFAs）、内毒素的产生相关。菌群移植（FMT）发现M-DSPN小鼠表型明显接近于DSPN人类供体，相关神经指标（MNCV、NF200、MBP等）显著低于M-NG组；而M-NG与M-DM组无显著差异。另外，M-DSPN组血清的脂多糖（LPS）结合蛋白（LBP）显著高于M-NG组。

临床DSPN患者经过FMT后，TCSS和VAS评分显著低于安慰组，相关神经指标明显改善，表明FMT可以稳定缓解DSPN患者的症状（神经性疼痛、周围神经的电生理功能等）。FMT前后的结肠活检相关指标表明DSPN的肠道屏障功能改善。

人群FMT的粪便宏基因组显示，菌群与TCSS评分显著相关。负相关（guild 1）的厚壁菌门与肠粘膜功能、丁酸产生等相关；而正相关（guild 2）菌群和脂质生成相关。根据患者肠型（C1、C2）和移植的菌群是否匹配，发现匹配组会更好地改变患者的肠道菌群，从而改善DSPN。

参考文献

Gut microbiota modulate distal symmetric polyneuropathy in patients with diabetes. Cell Metabolism. 2023.

Nature Neuroscience | 肠脑轴的多层次分析显示自闭症谱系障碍相关的分子和微生物特征

很难确定自闭症谱系障碍 (ASD)特定损伤的分子机制，因为大多数遗传变异仍与异质表型相关。肠道失调和肠脑轴（GBA）破坏被认为是神经发育障碍的发病机制，但微生物解释不明确。本文揭示了GBA组学间的强相关，特别是ASD微生物组水平；同时强调了横断面研究在理解自闭症功能结构动态方面的固有局限性。

团队通过多队列和多组学荟萃分析，整合了多个研究的组学数据，并进行基准测试和敏感性测试以确保年龄匹配和性别匹配贝叶斯差分排名方法的有效性和稳健性。在七个16S数据集中观察到强烈的 ASD 特异性信号，并通过随机森林建模和ROC曲线测量证实这些菌群信号可用于区分ASD儿童与年龄匹配和性别匹配的对照儿童（AUC>0.87）。

三个组学水平——微生物组（16S和SMS）和人类转录组（RNA-seq）的差异排序分析揭示了自闭症儿童与其年龄匹配和性别匹配的神经典型儿童之间存在强烈差异。细胞因子（TGF-β）与 ASD 和对照对之间的整体微生物对数倍数变化呈正相关；同时，观察到一些菌群（普雷沃氏菌、拟杆菌和双歧杆菌）与细胞因子相关。

团队进一步分析了人类ASD相关基因以及推断的菌群，发现差异表达的人类代谢途径在ASD 儿童的微生物组中具有不同丰度的类似微生物途径；ASD 相关微生物酶编码基因与肠脑模块 (GBM) 存在交叉，进一步支持ASD 跨组学的代谢串扰。

参考文献

Multi-level analysis of the gut–brain axis shows autism spectrum disorder-associated molecular and microbial profiles. Nature Neuroscience. 2023.

ACS Central Science | 高温烹调诱发的DNA损伤可能具有遗传风险

高温烹饪使食物中受损的DNA通过补救合成途径被吸收，可能直接影响食用者DNA，但食物DNA受损程度及对人的影响程度还并不清晰。本研究通过一些列体内外实验，发现高温烹饪食物会破坏食物中的DNA，并会被小鼠的小肠绒毛上皮摄取吸收，进而导致新宿主的细胞DNA双链断裂。

对牛肉碎、猪肉碎和土豆片进行烹饪，分别提取DNA并通过GC-MS/MS和LC-MS/MS定量不同的DNA碱基损伤的化学形式。与未处理的对照组比较，受损的DNA随着温度的升高而增加，且肉类比土豆有更多的DNA损伤。受损的DNA中两种最常见的损伤形式为2’-脱氧尿苷（dU）和8羟基脱氧鸟苷（8-oxo-dG）。

选择10种不同的受损2’-脱氧核苷和4种细胞系开展体外实验，发现细胞中的线粒体碱基切除修复（BER）活性增加。疫荧光检测结果显示，当受损的DNA暴露于细胞时，受损的核苷被吸收到HeLa细胞的基因组DNA（gDNA）中，细胞中碱基切除修复BER和双链断裂（DSB）的补救途径活化，即细胞的DNA损伤加剧。

将dU掺在水中饲喂小鼠，发现与对照组相比，dU组小鼠小肠gDNA中dU水平大幅增加，8-oxo-dG水平无增加。使用荧光分子标记受损DNA的位点，结果显示口服dU组小鼠小肠绒毛上皮细胞中双链断裂的水平明显高于对照组，表明摄入食物损伤的DNA会对小鼠小肠造成严重的DNA损伤。

参考文献

Possible genetic risks from heat-damaged DNA in food. ACS Central Science. 2023.

Nature | SLC38A2和cDC1中的谷氨酰胺信号通路决定了抗肿瘤免疫

癌细胞通过肿瘤免疫相互作用逃避T细胞介导的杀伤。1型常规树突细胞（cDC1）可介导T细胞启动，并对肿瘤有治疗作用，但潜在的机制尚不清楚。本研究建立了谷氨酰胺介导的肿瘤细胞和cDC1之间的细胞间代谢串扰，揭示了cDC1中的谷氨酰胺获取和信号传导作为DC激活的限制事件和癌症治疗的推定靶点。

研究者从MC38结肠癌细胞或表达卵清蛋白（OVA）的B16F10 （B16-OVA）黑色素瘤细胞攻击的小鼠中分离出肿瘤间质液（TIF）和匹配的血浆，并进行代谢组学分析。结果显示，与血浆相比，小鼠肿瘤间质液中谷氨酰胺水平显著减少。瘤内补充谷氨酰胺可增强肿瘤微环境TME中的CD2 T细胞效应功能，而不影响DC迁移和初始CD8 T细胞启动。谷氨酰胺剥夺实验验证了谷氨酰胺在cDC1介导的CD8 T细胞启动中的重要作用。

研究进一步发现其中SLC38A2蛋白水平升高，对谷氨酰胺和SLC38A2的其他已知底物进行稳定同位素示踪测定，发现SLC38A2增加了谷氨酰胺转运，揭示肿瘤细胞中的SLC38A2缺乏以cDC1依赖性方式显著损害肿瘤生长。

营养筛选和综合分析表明谷氨酰胺通过FLCN促进cDC1的启动作用和抗肿瘤免疫。染色质测序及转录因子足迹活性分析揭示，TEFB活性和溶酶体功能在cDC1中FLCN缺失时上调。构建Tfeb^ΔDC和Flcn^ΔDCTfeb^ΔDC模型小鼠及无谷氨酰胺处理的cDC1并开展体内外验证实验，最终揭示FLCN-TFEB轴在协调cDC1中的谷氨酰胺信号传导和功能效应中的关键作用。

参考文献

SLC38A2 and glutamine signalling in cDC1s dictate anti-tumour immunity. Nature. 2023.

Nature Cell Biology | 天然免疫关键蛋白STING通过靶向HK2调控糖酵解新机制

STING是一种公认的先天免疫信号转接器，通过协调骨髓细胞的先天感知和适应性免疫监视，在增强抗肿瘤免疫中起着关键作用。STING在多种人类恶性肿瘤中明显沉默，并且是细胞内在肿瘤抑制因子。但STING如何发挥内在的抗肿瘤活性尚不清楚。本研究揭示了STING作为细胞内在代谢检查点的功能，限制有氧糖酵解以促进抗肿瘤免疫。

通过STING重构实验证明STING可以抑制乳酸的产生。在Seahorse分析实验中，发现野生型（WT）细胞和STING缺失细胞的基础细胞外酸化速率（ECAR）相似，在STING缺失的细胞中重新表达STING可以抑制细胞外酸化速率（ECAR），再次验证了STING对有氧糖酵解的抑制作用。

通过对敲除Sting1基因的L929细胞进行代谢组学分析，研究发现细胞内糖酵解代谢物（包括果糖-6-磷酸、丙酮酸、果糖-1,6-二磷酸、甘油-3-磷酸、二羟乙酮磷酸和乳酸）的含量增加。接下来，通过同位素标记的[U-¹³C]技术，发现STING的敲除导致糖酵解途径中间产物的标记增加。通过亲和纯化结合蛋白质组学分析的方法发现，HK2在糖酵解过程中催化葡萄糖磷酸化生成葡萄糖6-磷酸，被鉴定为STING结合蛋白。

对人类结直肠腺癌（CRC）样本进行免疫组化分析。研究发现具有高STING表达的代表性CRC样本与低STING表达的样本相比，显示出更高水平的T细胞和CD8⁺T细胞浸润，且与乳酸水平呈负相关。

参考文献

STING is a cell-intrinsic metabolic checkpoint restricting aerobic glycolysis by targeting HK2. Nature Cell Biology. 2023.

Cell Host & Microbe | 肠道细菌代谢有助于宿主嘌呤稳态

尿酸（UA）是人体嘌呤代谢分解的最终产物，最近的一项宏基因组研究发现了与血液中UA水平相关的细菌代谢途径。然而，目前还没有确立尿毒素丰度与特定肠道细菌之间的因果关系。本研究证实肠道微生物是宿主嘌呤稳态和血清尿酸水平的重要驱动因素，肠道细菌嘌呤的分解代谢可能是肠道细菌影响健康的一种机制。

通过对移植定植有来自易于发生动脉粥样硬化的供体小鼠的盲肠内容物进行宏基因组分析，鉴定了1649个功能特征和52个细菌分类特征。Pearson相关分析确定了与动脉粥样硬化病变相关的细菌功能，其中包括与嘌呤的产生和转化相关的功能。

通过LC-MS/MS代谢组学分析，共测定了682种代谢物，发现嘌呤、黄嘌呤、肌苷和尿酸等嘌呤代谢物与动脉粥样硬化病变大小呈正相关。

对无菌（GF）小鼠和常规饲养（Conv）小鼠的盲肠内容物和血浆中的嘌呤相关代谢物进行了定量分析。发现与Conv小鼠相比，GF小鼠的盲肠内容物中大多数嘌呤物质减少，但也有少数终端嘌呤物质增加，如尿酸和尿囊素。

通过保守染色体区域比对分析发现，在APOE（载脂蛋白E）敲除的无菌小鼠中，盲肠嘌呤相关代谢物水平与5个基因（dpaL， hydA，ssnA，ygeY，xdhD）的丰度之间呈负相关，表明这些基因及其编码的肠道细菌对体内尿酸稳态具有调节能力。

参考文献

Gut bacterial metabolism contributes to host global purine homeostasis. Cell Host Microbe. 2023.

END

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1. 绘谱导读 | 「202306」化学蛋白质组学揭示小分子代谢物功能，TCA相关代谢酶调控肿瘤发生

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3. 绘谱导读 | 少了这些氨基酸大脑发育成问题！肠菌代谢物在肿瘤治疗中屡立奇功（202304）

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5. 绘谱导读 | 只输液不吃东西也会影响肠道菌还导致糖尿病?大明星AKK菌产生特定脂质调节免疫

6. 绘谱导读 | 2023年1月代谢组学文献精选

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