代谢功能障碍相关的脂肪肝病（metabolic dysfunction-associated steatotic liver disease， MASLD，旧称非酒精性脂肪性肝病NAFLD）影响着全球三分之一的人口，它的特征是可逆的肝脂肪变性。代谢变化是MASLD发展和恶化的关键，其中氨基酸代谢已成为其发病机制的一个新特征。有研究表明，较低的循环甘氨酸水平与MASLD、心脏代谢疾病和代谢综合征有关，但关于MASLD中甘氨酸水平下降的机制仍不明朗。
近期，以色列理工学院Eyal Gottlieb，Inbal Mor和美国路易斯安那州立大学健康科学中心Oren Rom共同合作，在Cell Metabolism上发表题为“Serine synthesis via reversed SHMT2 activity drives glycine depletion and acetaminophen hepatotoxicity in MASLD”的研究文章。该研究通过非靶向代谢组、稳定同位素示踪（代谢流）等技术手段，揭示了MASLD肝脏中甘氨酸减少的根本原因及这一过程如何影响肝脏的解毒能力，并发现补充甘氨酸等治疗可缓解这种不良影响。本研究为临床MASLD的用药安全监测及新疗法的开发提供了见解与策略。
技术路线
CD组：标准食物饮食10周的小鼠
WD组：西方饮食（高脂高糖）10周的小鼠
APAP：对乙酰氨基酚
研究结果
1. MASLD中发生一碳代谢缺陷，甘氨酸消耗
为研究MASLD初期阶段的潜在代谢变化，作者对WD组和CD组小鼠进行了表型和和生理生化分析，确定WD组小鼠呈现MASLD初期症状，然后对两组小鼠的肝脏和血浆样本进行了非靶向代谢组学检测，从小鼠肝脏中鉴定出324种化合物，从血浆中鉴定出260种化合物；与CD组相比，WD组小鼠的肝脏差异代谢物有107种，血浆差异代谢物有88种；对这些差异物质进行通路富集分析显示，“丝氨酸与甘氨酸代谢”及“甲基化循环（甲硫氨酸和甜菜碱代谢）” 是最显著富集的通路。
肝脏是一碳代谢的主要器官，丝氨酸羟甲基转移酶（SHMT）可介导丝氨酸和甘氨酸相互转化，同时发生四氢叶酸甲基的转移；此外甘氨酸还作为甘氨酸N-甲基转移酶（GNMT）的甲基受体，产生单甲基甘氨酸（肌氨酸）。与对照CD组相比，WD小鼠的甘氨酸、肌氨酸含量均显著降低，此外大多数甘氨酸衍生物如谷胱甘肽等含量持续减少，但相比之下，肝脏丝氨酸水平没有下降，而血浆丝氨酸水平显著升高，导致WD小鼠的丝氨酸与甘氨酸之比增加。
图1. 代谢组学显示肝脂肪变性小鼠的一碳代谢下调
以上结果表明，MASLD中发生了甘氨酸消耗现象，其原因可能是SHMT介导的丝氨酸合成增加。
2. 肝脂肪变性的甘氨酸消耗是由丝氨酸合成增加引起的
为验证上文提出的MASLD甘氨酸消耗假设，作者使用了稳定同位素标记13C2的甘氨酸对CD和WD组小鼠进行同位素示踪分析。结果表明，13C2甘氨酸处理后，CD和WD小鼠的血浆甘氨酸含量均升高，肝脏甘氨酸也升高，但WD组低于CD组；肝脏中的丝氨酸标记模式表明相当一部分丝氨酸是由甘氨酸合成的；此外，血浆中的丝氨酸水平和标记模式表明，WD小鼠体内由甘氨酸合成丝氨酸的速率更高。
接下来作者进行了两项验证实验。首先，在上述13C2甘氨酸标记的基础上，使用广谱SHMT抑制剂——SHIN1处理WD组小鼠，发现肝脏和血浆中丝氨酸水平显著降低，而甘氨酸含量显著增加，证明了MASLD中的甘氨酸减少是由肝脏中SHMT介导丝氨酸合成增加导致的。随后构建了肝细胞SHMT2敲除的模型小鼠，并进行WD处理，结果表明，与非敲除组相比，SHMT2敲除小鼠的循环甘氨酸水平显著增加，证实了MASLD中甘氨酸的减少是肝细胞代谢变化的直接结果，并确定了线粒体SHMT2参与其中。
图2. 肝脂肪变性小鼠的甘氨酸消耗是由丝氨酸合成增加导致
3. 甘氨酸的缺失增加了MALSD对外源性氧化应激的易感性
谷胱甘肽（GSH）是一种由甘氨酸和谷氨酸及半胱氨酸组成的三肽，在肝脏应对氧化应激及解毒过程中发挥着重要作用。因此甘氨酸消耗会导致GSH合成减少，在前述的代谢组学分析结果也发现了WD小鼠GSH含量减少的现象。
为进一步研究脂质积累、甘氨酸缺失与肝脏氧化应激的关系，作者分别用棕榈酸PA及油酸OA处理AML12细胞系，构建了两种脂肪肝细胞模型。进一步的研究发现PA处理显著降低了肝细胞内的甘氨酸和GSH水平，并导致氧化应激增加。对乙酰氨基酚（APAP）是一种解热镇痛药物，过量将造成肝毒性，它的安全代谢需要GSH的参与。PA+APAP的共同使用加重了肝细胞的氧化应激，而补充甘氨酸或GSH均可缓解这种氧化应激。
图3. PA处理会降低培养肝细胞内的甘氨酸和GSH水平，并增加对APAP的敏感性
随后作者在小鼠体内进行验证实验。结果显示，给予APAP处理后，相比CD组，WD小鼠的肝毒性及氧化应激增强，体现在循环转氨酶水平、肝脏形态学、组织学评分等指标，这与体外细胞实验的结果一致。
图4. 肝脂肪变性的小鼠GSH减少、氧化应激和肝毒性增加
以上结果显示，肝脂肪变性增加了肝脏对外源性氧化应激的易感性。
4. 甘氨酸可改善肝脏GSH水平，减轻MASLD的APAP毒性
接下来作者探索甘氨酸治疗是否可以减轻MASLD的APAP毒性。具体而言，对于WD小鼠，在APAP给药后的两个时间点给予甘氨酸治疗，随后进行各项指标检测。结果表明，口服甘氨酸提高了肝脏GSH的水平，且同位素标记示踪显示这些GSH中有相当一部分来自补充的甘氨酸。此外，补充甘氨酸也减轻了APAP诱导的氧化应激、脂质过氧化和DNA损伤，表现在GSSG/GSH比值、γ-H2A.x磷酸化水平、循环转氨酶水平、临床症状等指标。
图5. 甘氨酸可恢复肝脂肪变性小鼠的GSH水平并减轻APAP肝毒性
以上结果表明，甘氨酸治疗可以改善MASLD中APAP肝毒性增强的情况。
5. 敲除SHMT2可恢复MASLD的谷氨酸和GSH水平，减轻APAP肝毒性
考虑到MASLD中的甘氨酸消耗是由于肝细胞中SHMT2介导的丝氨酸合成增强导致的，作者下一步拟确定肝细胞中SHMT2的缺失是否能减轻APAP的肝毒性。因此作者对肝细胞SHMT2敲除的模型小鼠进行WD+APAP给药处理，结果显示，与对照组相比，敲除组小鼠的肝脏甘氨酸和GSH水平显著升高，氧化应激、DNA损伤程度及循环ALT水平显著降低，临床症状也有所改善。
图6. 肝细胞特异性的SHMT2缺失可缓解肝脂肪变性小鼠的APAP毒性
以上结果表明，阻断肝细胞中的SHMT2可以提高甘氨酸含量，进一步促进GSH的合成，从而减轻MASLD中的APAP肝毒性。
研究结论
本研究通过非靶向代谢组、稳定同位素示踪（代谢流）等研究方法，发现在MASLD中，丝氨酸羟甲基转移酶2（SHMT2）的活性改变，增强了甘氨酸向丝氨酸的转化，使得肝脏GSH的含量降低，抗氧化应激能力减弱，最终降低了肝脏对潜在肝毒性药物（如APAP）的耐受性。此外，通过补充甘氨酸或抑制甘氨酸向丝氨酸的转化可以减轻MASLD的APAP肝毒性。
参考文献
Ghrayeb A, Finney AC, Agranovich B, et al. Serine synthesis via reversed SHMT2 activity drives glycine depletion and acetaminophen hepatotoxicity in MASLD. Cell Metab. 2024 Jan 2;36（1）:116-129.
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