應用紀要：2022年5月代謝組學文獻精選解析
導讀目錄
1. Gut Microbes | 以粘蛋白聚糖為食的活潑瘤胃球菌在腸道和大腦通訊中的作用
2. Hepatology | 腸道微生物群代謝重編程和功能性膽汁酸變化是NAFLD發展的基礎
3. Nature Metabolism | 非氧化磷酸戊糖途徑調控Treg細胞功能及其分子機制
4. Nature Metabolism | 肥胖患者巨噬細胞PEPD失調決定脂肪組織纖維炎癥和胰島素抵抗
5. Cell Metabolism | 禁食通過酮體信號誘導肌肉干細胞處于深度靜止狀態
6. Cell Metabolism | 菌群的脯氨酸代謝改變影響抑郁癥
7. Cell Metabolism | PRMT7缺失重編程甘氨酸代謝以選擇性根除CML中的LSCs
8. Neuron | 腸道5-羥色胺能神經元產生5-HT促進CSCs自我更新和腫瘤發生
一、 Gut Microbes | 以粘蛋白聚糖為食的活潑瘤胃球菌在腸道和大腦通訊中的作用
腸道菌群在人類健康和疾病中起著至關重要的作用。活潑瘤胃球菌（R. gnavus）是人類腸道菌群的一種常見成員，在炎癥性腸病和神經系統疾病中過度表達。既往研究表明，R. gnavus捕食粘蛋白的能力依賴于菌株，并與唾液酸代謝相關。本研究提供了R. gnavus代謝物通過調節成年海馬中的顆粒細胞發育和突觸可塑性來影響大腦調節和功能的初步見解。進一步支持了R. gnavus在神經系統疾病中的作用機制。
1. 與無菌（GF）小鼠相比， R. gnavus ATCC 29149 定植小鼠（Rg-小鼠）的盲腸內容物、血液和大腦中的主要唾液酸衍生物發生變化，同時腸道粘液中唾液酸殘基的百分比顯著降低。
2. 通過非靶向代謝組學分析鑒定到幾種R. gnavus衍生的代謝物，與GF小鼠相比，Rg-小鼠的盲腸內容物中檢測到與腦功能相關的代謝物（色胺、吲哚和膽堿代謝物）產量增加。
3. 與GF小鼠相比，在Rg-小鼠的神經原性部位觀察到PSA-NCAM+顆粒細胞（擴增細胞和未成熟細胞）的數量顯著減少，并在附近招募吞噬性小膠質細胞。
4. Rg-小鼠在Y型迷宮試驗中表現更好，表明與GF小鼠相比，Rg-小鼠的空間記憶能力有所提高，而焦慮、運動活動和物體識別記憶在Rg-小鼠和GF小鼠之間沒有表現出差異。
The role of the mucin-glycan foraging Ruminococcus gnavus in the communication between the gut and the brain. Gut Microbes. 2022
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提取碼：px9m
二、 Hepatology | 腸道微生物群代謝重編程和功能性膽汁酸變化是NAFLD發展的基礎
膽汁酸具有許多與非酒精性脂肪肝（NAFLD）病理生理學相關的特性。肝硬化患者腸道微生物群修飾膽汁酸脫氧膽酸的循環水平升高。為了進一步闡明其相關的腸道微生物群在進行性重度NAFLD中的作用， 本文利用多組學的方式探究了膽汁酸代謝在NAFLD發生發展中的作用，為NAFLD相關生物標志物的篩選和治療提供依據和參考。
1. 在不同NAFLD表型的隊列中進行了糞便的多組學研究，包括16s rRNA測序、微生物轉錄組學和代謝組學。發現從脫氧膽酸（DCA）中提取的幾種微生物來源的膽汁酸（甘脫氧膽酸、7-酮脫氧膽酸、脫氫膽酸）隨著疾病活動和纖維化階段的增加而增加。這些與DCA和下游代謝物合成所需的微生物膽鹽水解酶、膽汁酸操縱子（BacD）和羥基類固醇脫氫酶（hdhA）的表達增加有關。
2. 含DCA生成基因的擬桿菌科（Bacteroidetes）和毛螺菌科（Lachnospiraceae）的幾個屬隨著疾病嚴重程度的增加而增加，而一些對DCA抗菌作用敏感的潛在有益微生物（如瘤胃球菌科）則減少。
3. 另一項NASH的獨立隊列證實DCA及其軛合物與晚期纖維化相關；這些數據的臨床相關性在非酒精性脂肪性肝炎（NASH）臨床試驗的一個獨立隊列中得到證實，其中DCA及其結合物與晚期纖維化相關。
4. 在安慰劑治療的患者中，纖維化消退患者的DCA下降，而纖維化進展患者的DCA上升。代償性肝硬化患者失代償期DCA進一步升高。
Metabolic reprogramming of the intestinal microbiome with functional bile acid changes underlie the development of NAFLD. Hepatology. 2022
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三、 Nature Metabolism | 非氧化磷酸戊糖途徑調控Treg細胞功能及其分子機制
調節性T (Treg)細胞對于維持免疫穩態和預防自身免疫至關重要。已知葡萄糖酵解、脂肪酸氧化和氨基酸分解代謝等都參與Treg細胞功能調控。非氧化磷酸戊糖途徑(PPP)可以通過改變代謝物流向來滿足細胞的功能需求。非氧化PPP是否參與免疫細胞如Treg細胞的代謝與功能調控尚不清楚。本研究揭示非氧化PPP對調節性T（Treg）細胞代謝模式及細胞功能的調控機制。
1. 在Treg細胞中，轉酮酶(TKT)是一種非氧化性PPP不可或缺的酶，Treg特異性TKT缺陷會導致小鼠發生致命的自身免疫性疾病，盡管Treg數量正常且Foxp3表達水平正常，但Treg抑制能力受損。
2. TKT缺失的Treg細胞誘導的糖酵解減少和氧化應激增強代償性地增加了脂肪酸和氨基酸的分解代謝，導致線粒體適應性受損和不受控制氧化磷酸化。
3. TKT缺陷型Treg細胞中觀察到與其他代謝物不一致的α-酮戊二酸（α-KG）水平，α-KG的還原羧化驅動胞質NADPH的生成，對抗氧化應激，這種轉變導致DNA高甲基化和染色質可及性降低。從而限制Treg細胞的功能基因表達和抑制活性。
4. 自身免疫性疾病患者的Treg細胞中TKT水平也出現下調。
Non-oxidative pentose phosphate pathway controls regulatory T cell function by integrating metabolism and epigenetics. Nat Metab. 2022
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提取碼：i3lc
四、Nature Metabolism | 肥胖患者巨噬細胞PEPD失調決定脂肪組織纖維炎癥和胰島素抵抗
隨著肥胖的進展，脂肪組織中無菌性炎癥和促纖維化細胞的激活導致了脂肪組織纖維化。與肥胖程度相比，脂肪組織纖維化和炎癥程度是代謝并發癥更加重要的危險因素。PEPD（脯氨酰氨基酸酶）負責降解含脯氨酸的二肽， PEPD缺乏膠原代謝受損會導致纖維化疾病。但PEPD在脂肪組織纖維化中的作用尚不清楚。本文研究揭示了脂肪組織纖維炎癥和代謝紊亂嚴重程度取決于PEPD活性和PEPD在細胞外的水平。
1. 研究人員首先檢測了7組人群隊列中脂肪組織PEPD 轉錄表達、酶活性和分泌量，發現肥胖人群內臟白色脂肪組織中的PEPD表達量顯著低于正常人群。在肥胖人群和小鼠中，PEPD在脂肪組織中的表達量和活性降低，并被釋放到血液中來促進脂肪組織纖維化和胰島素抵抗。
2. 采用遺傳學或藥理學方法抑制PEPD的酶活，均可導致小鼠脂肪組織纖維化。除了可以在細胞內發揮酶促功能外，PEPD還可以通過EGFR信號增強巨噬細胞和脂肪細胞的纖維性炎癥反應，從而促進脂肪組織纖維化和胰島素抵抗。
3. 基因敲除實驗證實PEPD酶活性降低與PEPD的全身水平升高有關，而這是脂肪組織纖維化和胰島素抵抗的致病性觸發因素。
4. 全局整合相關矩陣分析和EFA，整合了四種PEPD相關的體內動物實驗模型。發現巨噬細胞釋放的PEPD可以促進胰島素抵抗，可以作為脂肪組織纖維素性炎癥的生物標志物，并且可以作為脂肪組織纖維化、肥胖相關胰島素抵抗和2型糖尿病的潛在治療靶點。
Dysregulation of macrophage PEPD in obesity determines adipose tissue fibro-inflammation and insulin resistance. Nat Metab. 2022
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提取碼：qec1
五、Cell Metabolism | 禁食通過酮體信號誘導肌肉干細胞處于深度靜止狀態
禁食可導致細胞和組織進入受保護狀態，在這種狀態下它們對環境壓力和毒性具有高度抵抗力。在某些情況下，禁食可以加速多種組織類型的再生。然而，禁食對肌肉再生的影響尚不清楚。本研究全面闡述了禁食對肌肉組織修復和肌肉干細胞（MuSC）功能的影響。
1. 在禁食0、1、2和2.5天的小鼠中破壞其下后肢的脛骨前(TA)肌肉，并在恢復7天后，分離肌肉并通過再生肌纖維橫截面積(CSA)測量肌肉再生，結果顯示，隨著受傷前禁食時間的增加，肌肉修復出現延遲。
2. 對已經禁食2.5天并在受傷前1、2、3或7天重新喂食的小鼠，測量其肌肉修復程度，結果顯示，盡管體重完全恢復，但其肌肉再生延遲持續到重新喂食后3天，提示禁食使肌肉再生出現延遲，這種作用在重新喂食后仍持續數天。
3. 禁食小鼠后分離靜止的MuSCs，結果顯示，與對照MuSC相比，禁食導致MuSC進入深度靜止狀態(DQ)，其特征是修復延遲，但增強了對營養、細胞毒性和增殖壓力的恢復能力。同樣，給小鼠喂食生酮飲食或給它們補充外源性酮體也導致MuSC進入DQ狀態。
4. 酮體之一的β-羥基丁酸(BHB)，通過非代謝機制直接誘導MuSC進入DQ狀態；β-羥基丁酸在MUSCs中通過抑制HDAC1來促進p53的乙酰化和活化；向小鼠注射p53激活劑促進MuSC進入DQ和增強的恢復力。
Fasting induces a highly resilient deep quiescent state in muscle stem cells via ketone body signaling. Cell Metabolism. 2022
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六、Cell Metabolism | 菌群的脯氨酸代謝改變影響抑郁癥
近年來，腸道菌群的研究揭示了腸-腦軸在精神疾病中的重要作用，但缺乏關于抑郁癥-腸道菌群的縱向研究。本研究通過縱向、多隊列和多組學方法來揭示依賴于腸道菌群的脯氨酸代謝變化對抑郁癥的影響，并提示減少飲食來源的脯氨酸或可有效改善抑郁。
1. 納入116名參與者的縱向隊列，進行宏基因組分析，結果發現，健康組及不同抑郁癥程度患者之間的菌群組成存在顯著差異；功能上脯氨酸和谷氨酸代謝、GABA能突觸等功能與抑郁癥篩查量表得分（PHQ-9）顯著相關。
2. 對血漿和糞便樣本進行代謝組學檢測，確定了與PHQ-9得分相關的代謝物；并在第二個驗證隊列進行驗證，揭示循環脯氨酸與抑郁得分顯著正相關。
3. 給予小鼠標準飲食和添加脯氨酸的飲食，結果發現，補充脯氨酸加速小鼠的抑郁癥樣行為。患者的腦鐵沉積以及多個與rich-hub相關的腦部區域與抑郁程度或Pro水平相關。
4. 將抑郁癥患者的糞菌移植到抗生素處理過的小鼠中，對小鼠的內側前額葉皮質樣本進行RNA測序分析，發現編碼GABA/脯氨酸轉運蛋白的基因與PHQ-9顯著相關。
5. 在果蠅模型中敲低神經元中脯氨酸/GABA轉運蛋白基因，可以抵抗機械應激誘導的抑郁狀態；給果蠅單一定植GABA高效生產者植物乳桿菌可抵抗抑郁狀態。
Microbiota alterations in proline metabolism impact depression. Cell Metabolism. 2022
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七、Cell Metabolism | PRMT7缺失重編程甘氨酸代謝以選擇性根除CML中的LSCs
慢性髓性白血病(CML)中的白血病干細胞(LSCs)源自造血干細胞(HSCs)的轉化，并由BCR-ABL 融合癌基因啟動，蛋白質精氨酸甲基轉移酶(PRMT) 家族在白血病進展中參與表觀遺傳調控。PRMT家族有望成為LSCs的潛在治療靶點，但PRMT7在維持LSCs中的關鍵作用尚不清楚。本研究探討了 PRMT7 在維持慢性粒細胞白血病 (CML) 中的白血病干細胞 (LSC) 中的作用。
1. PRMT7的遺傳缺失及PRMT7小分子特異性抑制劑的開發和測試表明，在CML小鼠模型和人原代 CML CD34+細胞中，靶向PRMT7可延緩白血病發展并損害LSCs的自我更新，而不影響正常造血功能。
2. 機制上，PRMT7在CML中是白血病發生和LSCs維持所必需的，PRMT7的缺失導致甘氨酸脫羧酶的表達減少，導致甘氨酸代謝重新編程以產生甲基乙二醛從而損害LSCs。
3. 蛋白質精氨酸甲基化在維持CSCs中調節甘氨酸代謝，研究將組蛋白精氨酸甲基化與甘氨酸代謝聯系起來，共同揭示PRMT7可作為根除CML中LSCs的潛在治療靶點，同時避免健康HSCs受損。
Loss of PRMT7 reprograms glycine metabolism to selectively eradicate leukemia stem cells in CML. Cell Metabolism. 2022
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八、Neuron | 腸道5-羥色胺能神經元產生5-HT促進CSCs自我更新和腫瘤發生
結直腸癌干細胞（CSCs）是一小群具有自我更新和分化能力的腫瘤細胞，在腫瘤的發生、轉移、耐藥和復發等過程中起關鍵作用。腸神經細胞是腸道中最豐富的細胞之一，腸道肌間叢中的5-羥色胺能神經元如何調控CSCs自我更新及腫瘤發生的機制仍不明確。本研究表明腸神經細胞是CSC自我更新和結直腸腫瘤發生所必需的。
1. 通過球體形成試驗篩選了11種神經遞質發現5-HT顯著促進CSCs球的形成，并在葡聚糖硫酸鈉/偶氮氧甲烷（DSS/AOM）誘導Lgr5GFP小鼠CSC模型和血清素轉運蛋白敲除(Sert KO)小鼠發現5-HT促進CSCs 的自我更新和結直腸腫瘤的發生。
2. 通過敲低或構建5-HT受體HTR1B、HTR1D 和 HTR1F三重敲除TKO細胞、HTR1 拮抗劑Methiothepin和DSS/AOM等干預證明5-HT信號通過HTR1B、HTR1D 和 HTR1F 受體促進CSCs干性和腫瘤發生，并與 5-HT結合以啟動Wnt/β-catenin信號傳導。
3. 5-羥色胺能神經元表達Tph2以產生5-HT，CRC相關菌群代謝物異戊酸促進肌間叢細胞中Tph2的表達，從而導致5-HT產生，5-HT信號與 CRC嚴重程度正相關，阻斷小鼠體內的5-HT信號不僅可以抑制CSCs自我更新，還對CRC的治療有效。
5-hydroxytryptamine produced by enteric serotonergic neurons initiates colorectal cancer stem cell self-renewal and tumorigenesis. Neuron. 2022
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