绘谱导读︱2021年2月代谢组学文献精选

肥胖是恶性肿瘤，尤其是乳腺癌不良后果的主要危险因素。肥胖除了引起激素信号的系统性改变外，还会导致脂肪主导的乳腺肿瘤微环境局部改变，从而导致癌症恶化，但其中分子机制尚不清楚。本研究探索肥胖和乳腺癌进展之间的联系，发现脂肪细胞特异性肌酸生物合成在肥胖加速肿瘤进展中的影响，而后通过两个大型临床队列确定了这些代谢途径在疾病发病机制中的作用。

(1) 利用肥胖加速型乳腺癌（三阴乳腺癌E0771细胞）小鼠模型，对肿瘤细胞和邻近乳腺脂肪组织进行转录组学分析，鉴定出脂肪细胞中甘氨酸脒基转移酶（Gatm）和癌细胞中的Acsbg1，其中Gatm在脂肪细胞中表达上升。Gatm是肌酸生物合成中的限速酶，基于液质联用分析发现肥胖小鼠肿瘤中肌酸和磷酸肌酸水平升高。脂肪细胞中Gatm表达的增加具有高度的环境依赖性，对肥胖和肿瘤周围环境的定位都有特异性；

(2) 为了研究内源性肌酸合成在脂肪细胞中的作用，采用Gatm靶向脂肪选择性缺失的小鼠（Adipo-Gatm-KO小鼠），发现脂肪细胞中Gatm的表达只能影响肥胖型荷瘤小鼠的存活率而对瘦型小鼠无效。来自肿瘤微环境（TME）的肌酸，而不是来自饮食的外源性肌酸，在促进肥胖加速肿瘤中起着重要作用。乳腺肌酸转运体（Slc6a8）敲除可抑制肿瘤生长，证实癌细胞摄取肌酸是肥胖依赖性肿瘤进展所必需的；

(3) 肥胖肿瘤细胞中表达差异最大的是酰基辅酶A合成酶家族成员1（Acsbg1），其将长链脂肪酸转化为长链脂肪酰基辅酶A，产生ATP和脂肪酸分子（包括磷脂、甘油三酯和胆固醇酯）。建立Acsbg1过度表达细胞系（Acsbg1-OE），肥胖Acsbg1 OE肿瘤中磷酸肌酸和ATP含量显著升高。通过200种代谢物靶向代谢组学实验证实肥胖动物Acsbg1 OE肿瘤中所有核苷酸三磷酸和磷酸肌酸均上调，且仅在肥胖宿主中有这种现像；

(4) 来自两个大型临床队列的基因表达分析显示，SLC6A8和ACSBG1的高表达与肿瘤分级差显著相关，而SLC6A8高表达与TNBC无病生存率降低相关，提示这些途径在人类疾病的发病机制中发挥作用。

Creatine-mediated crosstalk between adipocytes and cancer cells regulates obesity-driven breast cancer. Cell Metabolism. 2021.

https://doi.org/10.1016/j.cmet. 2021.01.018.

肝星状细胞（Hepatic stellate cells，HSCs）是一种非实质性肝细胞群，因其是肝损伤的原发性纤维化细胞类型而受到关注。HSCs被认为是一种可塑的细胞类型，可以调节肝脏生长、免疫和炎症以及能量和营养稳态。这些功能依赖于新陈代谢的多样性和能量消耗的严格调节。然而HSCs通过其可塑性调节多种生理和病理反应的机制仍不清楚。

(1) 肝损伤后，富含维生素A的静态周细胞会被激活，从而使HSC激活，使其对许多细胞因子和可溶性信号阐述响应，从而触发细胞向成肌纤维细胞分化。同时改变基质降解特性、趋化性(定向迁移)和调节炎症和免疫的能力；

(2) 通过上调GLUT1、GLUT2和GLUT4增加对葡萄糖的吸收。糖酵解的主要副产物是乳酸，乳酸积累是HSC活化的一个因素。当HSCs激活时，总糖酵解通量增加，总线粒体活性增加。线粒体活性氧（ROS）的产生增加；

(3) HSC激活后转录因子过氧化物酶体增殖物激活受体γ（PPAR-γ）和固醇调节元件结合蛋白1（SREBP-1c）水平降低，脂滴被运输到常染色体进行降解。在溶酶体脂肪酶作用下，维生素A发生去酯化反应。视黄酯水解酶（REH）活性增加，视黄醇被释放到细胞外。自溶酶体的脂滴通过脂肪酸β-氧化增加被进一步代谢；

(4) 促纤维化刺激物汇聚在促分裂素激活的蛋白激酶（MAPK）/细胞外信号调节激酶（ERK）信号通路上，导致NADPH氧化酶（NOX）表达增加。NOX表达会增加H₂O₂水平，H₂O₂在激活的HSC中具有信号传导作用。HSCs中的氧化还原代谢也起着激活的前馈机制；TGF-β1信号通过诱导NOX表达增加H₂O₂水平，而在H₂O₂存在下，TGF-β1会转化为活性形式。

The Power of Plasticity-Metabolic Regulation of Hepatic Stellate Cells. Cell Metab. 2021. doi: 10.1016/j.cmet. 2020.10.026.

胶质母细胞瘤（GBM）是一类常见的原发性恶性脑肿瘤，在美国每年约有12000例新病例，并且中位生存期不到2年。GBM分为IDH野生型（IDH-WT;〜90%）或IDH突变体（〜10%）。根据基因组改变和基因表达特征，IDH-WT GBMs可分为三个不同的亚类（原神经型、经典型和间充质型）。目前GBM分子发病机制了解仍不清楚。本文通过对GBM的基因组学、蛋白质组学、翻译后修饰和代谢组学数据的综合分析为GBM生物学提供了见解，有助于GBM患者分层并给与更有效地治疗。

(1) 对99 GBMs和10个GTEx正常大脑样本的蛋白质基因组图谱进行分析。在癌基因中发现了许多结构变异（SV），包括EGFR和PDGFRA，以及抑癌基因PTEN和NF1。EGFR突变常与EGFR-SV和扩增事件同时发生；

(2) 基因改变影响致癌蛋白丰度和磷酸化，95个顺反磷酸化事件发生，其中对EGFR和PDGFRA具有很强的顺式作用，RNA和蛋白表达显著增加，S1166和S1067/S1070位点磷酸化水平增加。反式水平上，EGFR改变的肿瘤表现为CTNNB1 (b-catenin)蛋白升高，而mRNA水平下降，以及PTPN11 (Shp2)在Y62位点和PLCG1在Y783位点磷酸化水平升高；

(3) 本研究鉴定到45个具有EGFR SVs的肿瘤，拷贝数都增加，表明SV和拷贝数变化（CNV）一致。具有突变EGFR和SV的肿瘤都具有相应的高RNA、蛋白质和Y1172磷酸化水平，表明EGFR途径激活。在EGFR改变的样本中，观察到高EGFR自磷酸化，同时pleckstrin同源结构域家族A成员蛋白（PHLDA1和PHLDA3）、转录因子SOX9、细胞粘附蛋白CTNND2（d-连环蛋白）以及细胞周期蛋白CDK6和CDKN2C的丰度和磷酸化有所增加；

(4) 使用xCell的单样本GSEA生成了细胞类型的免疫富集评分，发现四种不同的基于免疫的GBM亚型。组蛋白的无监督聚类和位点水平的乙酰化揭示不同肿瘤簇富集了组蛋白H2B，H3和H4的乙酰化作用。其中H2B乙酰化与TME富集分数呈显著负相关，而其他组蛋白则显示出正相关。H2B乙酰化有助于区分免疫细胞和其他细胞类型；

(5) 对75个肿瘤和7个GTEx正常样本进行脂质定量及代谢组学分析，结果显示间充质亚型三酰甘油（TGs）水平升高，磷脂酰胆碱（PCs）和其他类型磷脂水平降低，前神经样亚型富含超长链脂肪酸脂质（VLCFA）和甘油磷脂及长链（LC）多不饱和脂肪酸（PUFA），同时，前神经样簇显示肌酐和同型半胱氨酸水平显著升高，L-半胱氨酸和帕拉金糖醇水平降低。而二酰甘油（DGs）与AKT1、PLCD3和PLCG1蛋白表达具有显著相关性。2-HG是IDH突变肿瘤中代谢最丰富的代谢物，参与糖酵解的几种代谢物水平增加，而丝氨酸和谷氨酸水平降低。

Proteogenomic and metabolomic characterization of human glioblastoma. Cancer Cell. 2021. doi: 10.1016/j.ccell. 2021.01.006.

袖状胃切除术（VSG）是一种高效的减肥手术，可持续治疗肥胖和2型糖尿病。胆汁酸不仅调控营养物质吸收，亦是重要的信号分子，在糖脂代谢和能量代谢稳态的调节中起着重要作用。本研究采用四种不同的转基因小鼠系来探讨胆汁酸循环与VSG代谢益处之间的联系。

(1) 高脂饮食下，胆汁酸受体FXR全身基因敲除小鼠对VSG代谢益处具有抗性。而且，VSG代谢益处仅在高脂饮食喂养的肠道或肝脏特异性FXR敲除小鼠中出现，VSG不会激活对照组小鼠肝脏或肠道FXR；

(2) VSG降低了肝FXR靶基因的表达，包括将胆汁酸运输到胆道通路的胆盐输出泵（Bsep），小鼠小肠胆汁酸水平降低，导致肠道脂肪吸收降低，敲除胆汁酸合成酶Cyp27a1证实了这一现象；

(3) 膳食补充牛磺胆酸（TCA）可恢复小肠胆汁酸水平，抑制了部分VSG有益作用。

Vertical sleeve gastrectomy confers metabolic improvements by reducing intestinal bile acids and lipid absorption in mice. PNAS. 2021 118 (6).

微生物暴露对新生儿和婴儿的发育、生长和免疫至关重要，尽管已在胎盘、羊水、胎膜和胎粪中检测到微生物，但胎儿出生前肠道中是否已定植微生物仍然存在争议。本研究以足月分娩的羔羊为模型，采用多组学方法证明羔羊出生前肠道中含有微生物。

(1) 对羔羊盲肠内容物进行宏基因组学和宏转录组学分析，结果显示盲肠中存在低多样性和低生物量的微生物群，主要由变形菌门、放线菌门和厚壁菌门组成，大肠杆菌数量最多；

(2) 对羔羊盲肠内容物和脐带血进行短链脂肪酸（乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸等）绝对定量检测；此外进行非靶向代谢组学分析，结果中发现8种独特物质，如脱氧野尻霉素、丝裂霉素和妥布霉素，表明羔羊产前已存在有代谢活性的微生物群，而脐带血代谢组学分析并未发现；

(3) 此外，还检测到噬菌体phiX 174和Orf病毒以及抗生素耐药基因，提示噬菌体、病毒和携带抗生素耐药基因的细菌可在妊娠期间从母体传播到胎儿；

(4) 对盲肠菌群与代谢物进行关联分析，结果显示丁酸、己酸与S. pneumoniae 、 Kocuria spp. UCD.OTCP成正相关，己酸还与Klebsiella pneumoniae成正相关。

Multiomics analysis reveals the presence of a microbiome in the gut of fetal lambs. Gut. 2021.

癌细胞在肿瘤进展过程中面临着各种代谢挑战，包括营养改变且缺氧的主要部位的微环境生长、血管内侵入等。因此，癌细胞必须在癌症进展的每个步骤中重新编程其代谢状态。代谢重编程被认为是癌细胞的标志，该综述总结了目前对癌症进展和转移过程中代谢重编程的理解，包括癌细胞对肿瘤微环境的适应性、锚定非依赖生长过程中对氧化应激的防御以及转移过程中的代谢重编程。

(1) 与非肿瘤组织相比，肿瘤组织的新陈代谢发生了改变，肿瘤代谢受多种内在和外在因素的影响，从而形成对肿瘤微环境的适应性，包括适应营养改变的肿瘤微环境、适应缺氧肿瘤微环境以及适应肿瘤微环境的细胞外酸化等；

(2) 癌细胞锚定非依赖生长过程中面临各种压力，必须重新编程其代谢状态以克服这些压力。尽管代谢重编程背后的机制取决于癌细胞的类型，但大多数代谢适应性改变包括谷氨酰胺的IDH1依赖性还原羧化反应以终止ROS过量生成、戊糖磷酸途径上调、线粒体生物合成和呼吸作用增强、或涉及丝氨酸，丙氨酸和丙酮酸代谢重编程改变鞘脂多样性；

(3) 代谢重编程促进转移性肿瘤形成，对该过程所涉及的代谢途径和酶，如氨基酸、丙酮酸、乳酸和乙酸、戊糖磷酸途径与谷胱甘肽合成、脂质进行了梳理；

(4) 尽管甲氨蝶呤和5-FU等一些针对癌症代谢的治疗剂已经应用很就，但是在癌症代谢领域中越来越多的新发现导致了各种新兴策略的发展。

Metabolic Reprogramming of Cancer Cells during Tumor Progression and Metastasis. Metabolites. 2021. https://doi.org/10.3390/metabo11010028.

肿瘤微环境（TME）中的代谢状况受到营养、免疫、氧浓度、细胞间相互作用和全身代谢等多种因素的影响。然而，大部分肿瘤代谢的研究严重依赖于细胞培养，不能完全再现体内肿瘤的代谢状况，尤其是肿瘤细胞的营养利用率和免疫浸润等方面。本文重点讨论肿瘤微环境下的免疫细胞代谢。

(1) 环境塑造免疫细胞的代谢和功能

与先天免疫细胞(树突状细胞、巨噬细胞、中性粒细胞)和获得性免疫细胞激活相关的中心代谢通路是有氧糖酵解。葡萄糖摄取和糖酵解的增加可以为细胞增殖提供前体，如用于核苷酸合成的依赖于葡萄糖的丝氨酸。而TME中葡萄糖限制会损害肿瘤浸润性淋巴细胞(TIL)的效应功能和自然杀伤(NK)细胞的抗肿瘤效应。

除了葡萄糖，不同氨基酸的可获得性也会影响免疫细胞的新陈代谢。如T细胞和巨噬细胞可以分解谷氨酰胺来刺激ATP的产生。阻断谷氨酰胺酶会损害CD4⁺和CD8⁺T细胞增殖和激活。此外，精氨酸、色氨酸、丝氨酸、蛋氨酸和丙氨酸与T细胞存活、甲基化和活化等功能密切相关。

游离脂肪酸对TME免疫细胞功能的影响一直受到关注，长链脂肪酸氧化（fatty acid oxidation，FAO）可能对组织驻留的免疫细胞影响比较大。除了作为燃料来源，饱和脂肪酸可以促进促炎细胞因子产生(如Th17反应期间的IL-23)，而多不饱和脂肪酸与抗炎细胞因子的产生有关(如IL-10)。短链脂肪酸丁酸盐通过G蛋白偶联受体信号来影响T细胞功能，乙酸可以增强Teff细胞功能。因此，微生物组衍生的代谢物如短链脂肪酸、色氨酸对TME免疫功能的具体贡献需要进一步研究。

TME中的细胞可能会经历缺氧条件，这种低氧条件促进HIF-1α的稳定，其表达与髓系细胞和淋巴样细胞的炎症潜能增加有关。整个细胞微环境的胞外pH变化——可能与乳酸的局部积累一致——细胞外的酸化(pH: 5.8-6.6)可以对免疫细胞产生广泛的影响。少量正价离子也会对T细胞功能产生显著影响，钠水平升高会导致CD4⁺Th17细胞的炎症潜能增加，而钾供应的增加会影响CD8⁺T细胞的营养吸收和效应功能。

TME中存在的多种免疫细胞、癌症细胞和基质细胞创造了一个动态的环境，促进了肿瘤和免疫细胞之间的交流和响应。质谱和单细胞基因组学，揭示了TME中基质细胞和免疫细胞亚型之间的复杂性，以及这些细胞代谢谱的异质性。TME中的多种细胞(免疫细胞、间质细胞、上皮细胞、癌症细胞)对营养物质的利用和信号传递也可以调节生长性肿瘤内的代谢条件。

(2) 在肿瘤微环境TME中建立代谢模型（节选）

常规培养基主要是为了促进特定细胞类型的快速生长而设计的，并没有反映实际的生理生化条件。通过使用改进的培养基配方使得其更接近地模拟体内遇到的生化条件，如无偏见的自下而上（unbiased bottom-up）的方法，系统地开发更接近人类血液代谢组成的生理学介质。比如已开发的类人血浆培养基(HPLM)，其中含有60多种极性代谢物和盐离子，其浓度相当于正常成人血浆的平均值。

考虑到肿瘤内环境的异质性，TME也有可能产生由非血浆条件引导的生物介质，目前大部分研究都集中于极性代谢物，但也要注意到不同生物液中细胞外脂成分的表征，比如培养液胎牛血清去除血清脂质和用于提高重复性的木炭剥离（charcoal stripping）也会耗尽关键的生长因子和激素。开发稳健和可获得的方法，以便更准确地将至少某些游离脂肪酸以规定的浓度合并到生理培养基中，将是该领域未来的一个重要考虑因素。

通过在肿瘤或正常组织中使用稳定同位素标记的营养素在体内的代谢研究可以洞察到组织依赖的肿瘤之间代谢活性如何变化。与典型的体外方法相比，体内示踪剂研究能够进一步在组织架构、细胞内相互作用和系统代谢的背景下考虑营养和氧气梯度(图2)。

Immunometabolic Interplay in the Tumor Microenvironment. Cancer Cell. 2021. https://doi.org/10.1016/j.ccell.2020.09.004.

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