本期“显眼包”——乳酸
乳酸，以前总以为它不过是warburg效应和糖酵解过程中平平无奇的中间代谢物，谁知道最近它竟成为冲在代谢调节第一线的“绝对主角”，来看看科学家们对它的新发现：
• Cell Metabolism：膳食果糖在塑造脂肪细胞代谢，导致糖酵解代谢产物（如磷酸二羟丙酮、乳酸和丙酮酸）的水平显著增加，并在启动抗肿瘤CD8+T细胞反应中起到关键作用。
• Molecular Cell：乳酸作为线粒体信使，刺激独立于其代谢的电子传递链（ETC），并且乳酸将ATP的生产从糖酵解转移到氧化磷酸化，允许细胞保存葡萄糖，同时使用乳酸衍生的丙酮酸作为其优先底物来支持细胞ATP的生产。
• Cancer Cell：乳酸是乳杆菌的主要产物，也是阴道内环境的重要代谢物，而宫颈癌的瘤内菌惰性乳杆菌（L.iners）产生的L-乳酸能够诱导肿瘤代谢重构从而引起化疗耐药性。
• Nature Metabolism：衰老细胞表现出独特的葡萄糖代谢谱，葡萄糖转运蛋白和糖酵解酶表达增加，糖酵解、TCA循环和氧化磷化活性增强，产生的乳酸量增加。乳酸生成可能与年龄相关的病理(包括但不限于癌症)之间的代谢联系。
导读目录
1. Nature Communications | 人和小鼠小胶质细胞在炎症通路诱导过程中的物种特异性代谢重编程
2. Cell Metabolism | 膳食果糖介导的脂肪细胞代谢驱动抗肿瘤CD8+T细胞反应
3. Molecular Cell | 乳酸可以激活独立于其代谢的线粒体电子传递链
4. Cell Metabolism | 巨噬细胞的代谢促进结肠上皮细胞的动态平衡
5. Nature Communications | 线粒体功能障碍促使T细胞耗竭
6. Cancer Cell | 肿瘤驻留的乳酸杆菌通过乳酸诱导的代谢重组引起放化疗耐药性
7. Cell Metabolism | 肝脏中的S-腺苷甲硫氨酸水平调节对禁食的适应性反应
8. Nature Metabolism | PDK4依赖性高分解代谢和衰老细胞的乳酸生成促进癌症恶性进展
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01
Nature Communications | 人和小鼠小胶质细胞在炎症通路诱导过程中的物种特异性代谢重编程
代谢重编程涉及从氧化磷酸化（OXPHOS）到糖酵解的转换或其他代谢途径的改变，目前尚缺乏关于人类小胶质细胞的代谢重编程研究数据。本研究综合转录组、蛋白质组技术，对小鼠和人类小胶质细胞的新陈代谢进行了直接比较，发现了人类和小鼠小胶质细胞在炎症通路诱导过程中的代谢重编程具有物种特异性，为炎症相关疾病的靶向策略提供新思路。
1
转录组结果表明，脂多糖（LPS）处理可诱导原代小鼠小胶质细胞中一系列与炎症和免疫激活相关的基因上调，而能量的分解代谢过程下调。小鼠体内和体外小胶质细胞均表现出糖酵解相关基因和其他中枢代谢基因转录的共同失调，TCA循环活性下降。
2
通过诱导性多能干细胞（iPSC）技术衍生出的小胶质细胞（iMGLs）以探究人类小胶质细胞中的代谢重编程，结果表明源自iPSCs的人类小胶质细胞呈现出经典的LPS相关转录组反应，表现出糖酵解和TCA通路的转录组特征失调，且与小鼠对LPS的时间转录组反应不同。
3
综合蛋白质组学结果发现，受到LPS刺激的小鼠和人类小胶质细胞的葡萄糖代谢发生了不同程度的改变，人体细胞的TCA循环活性强于小鼠细胞，且小鼠和人类小胶质细胞形态对LPS的反应有明显区别。生物能谱揭示小鼠和人类小胶质细胞的新陈代谢重编程均表现为糖酵解活性增加。
参考文献
Species-specific metabolic reprogramming in human and mouse microglia during inflammatory pathway induction. Nature Communications. 2023.
02
Cell Metabolism | 膳食果糖介导的脂肪细胞代谢驱动抗肿瘤CD8+T细胞反应
越来越多的证据表明果糖摄入与癌症发病率之间存在关联，但膳食果糖对肿瘤微环境（TME）的分子、代谢和免疫特性的影响仍有待确定。作为适应性免疫系统的主要组成部分，CD8+T细胞可以通过直接杀伤肿瘤细胞或诱导其他免疫细胞的抗肿瘤反应来发挥抗肿瘤功能。本研究阐述了膳食果糖在塑造脂肪细胞代谢以启动抗肿瘤CD8+T细胞反应中的关键作用，并强调果糖-瘦素轴可能用于癌症免疫治疗。
1
针对多种小鼠肿瘤模型，高果糖喂养均可以抑制肿瘤生长和提高生存率。单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析表明高果糖饮食小鼠的肿瘤中耗竭CD8+T细胞减少，而记忆CD8+T细胞大幅增加。进一步通过Rag1敲除导致缺乏成熟T细胞以及抗CD8抗体实验证明高果糖饮食可增加CD8+T细胞免疫反应并控制肿瘤进展。
2
使用Monocle2算法推断细胞状态轨迹以及使用流式细胞术分析细胞因子表达，发现膳食果糖调节肿瘤浸润性CD8+T细胞的转录状态和转化并产生抗肿瘤作用。
3
酶联免疫吸附试验（ELISA）分析发现高果糖喂养的小鼠血清和肿瘤间质液中果糖水平升高，通过在T细胞上敲除编码果糖转运蛋白GLUT5的Slc2a5基因来证实膳食果糖间接作用于CD8+T细胞以控制体内肿瘤的进展。
4
ELISA分析表明高果糖饮食小鼠血清瘦素水平升高，并且scRNA-seq分析表明小鼠白色脂肪组织（WAT）具有瘦素基因特异性富集。进一步通过在T细胞上敲除编码瘦素受体Leptin R的Lepr基因以及在脂肪细胞上敲除Slc2a5基因来证实膳食果糖启动脂肪细胞来源的瘦素产生，并增强CD8+T细胞的抗肿瘤功能。
5
通过代谢组学方法研究发现高果糖喂养小鼠WAT的糖酵解代谢产物（如磷酸二羟丙酮、乳酸和丙酮酸）的水平显著增加，并且转录组分析发现膳食果糖激活了WAT中的mTORC1信号通路。
参考文献
Dietary fructose-mediated adipocyte metabolism drives antitumor CD8+T cell responses. Cell Metab. 2023.
03
Molecular Cell | 乳酸可以激活独立于其代谢的线粒体电子传递链
乳酸作为一种有意义的线粒体能量来源，需要依赖于乳酸脱氢酶（LDH）转化为丙酮酸，丙酮酸再通过丙酮酸脱氢酶（PDH）复合物进入TCA循环，然而，乳酸是否具有与LDH无关的代谢调节功能尚不清楚。本研究发现乳酸作为线粒体信使，刺激独立于其代谢的电子传递链（ETC），并且乳酸将ATP的生产从糖酵解转移到氧化磷酸化，允许细胞保存葡萄糖，同时使用乳酸衍生的丙酮酸作为其优先底物来支持细胞ATP的生产。
1
通过细胞增殖检测发现，当葡萄糖浓度受限时，乳酸支持细胞生长，并且乳酸通过增加线粒体ATP的产生来抑制糖酵解，而不是通过单独调节NAD+/NADH比值。
2
通过[U-13C]D-乳酸的同位素示踪实验发现，D-乳酸不会转化为丙酮酸或柠檬酸，但D-乳酸添加会刺激氧消耗和线粒体ATP生成。
3
使用[U-13C] 葡萄糖和[3-13C] L-乳酸的同位素示踪实验发现，乳酸是丙酮酸的主要细胞来源，进入TCA循环的丙酮酸通量随着乳酸浓度的增加呈剂量依赖性增加。
4
通过PDH活性检测发现，乳酸的添加激活了分离线粒体中的PDH复合物活性。通过同位素示踪法发现，乳酸是直接进入线粒体基质，而不是由于基质中的次级代谢，独立于线粒体丙酮酸载体（MPC）。在PDH E1α或E2缺乏的细胞中，乳酸始终保持了增加线粒体耗氧率的能力，这表明ETC活性的增加与通过PDH复合物的碳进入无关，PDH激活是乳酸激活ETC的次要效应。进一步研究发现，D-乳酸不仅会使呼吸受损的细胞增殖，还会增强原代T细胞增殖和效应功能。
参考文献
Lactate activates the mitochondrial electron transport chain independently of its metabolism. Mol Cell. 2023.
04
Cell Metabolism | 巨噬细胞的代谢促进结肠上皮细胞的动态平衡
既往研究发现肠道上皮细胞层作为一道屏障，分隔开肠腔内容物和身体的其他部分，当上皮细胞自我更新功能出现紊乱、肠道菌群或免疫功能失调时，可能会导致炎症性疾病。巨噬细胞作为经典的天然免疫细胞，能够介导肠道对微生物共生体的耐受性和对病原体的免疫力。然而巨噬细胞除了吞噬功能，其潜在的代谢支持在肠道中的作用仍不明晰。本研究通过多组学分析发现结肠中的巨噬细胞与上皮隐窝细胞紧密接触，并通过mTORC1（机械目标蛋白激酶复合体1）信号通路为它们提供代谢支持。
1
小鼠免疫荧光染色结果表明，结肠巨噬细胞位于小鼠隐窝上皮细胞附近，以mTORC1依赖性方式代谢促进上皮细胞增殖。
2
通过靶向代谢组学分析，发现“亚精胺和精胺生物合成”的生物合成途径高度富集，表明巨噬细胞中结节性硬化症复合体2（Tsc2）激活mTORC1信号传导，从而防止结肠炎引起的肠道损伤，并诱导多胺亚精胺和精胺的合成。
3
细胞敲除和骨髓移植实验结果表明，结肠上皮细胞会吸收由mTORC激活的巨噬细胞产生的外部多胺，重构细胞代谢，以增强和保障细胞增殖。
4
相关分析表明，对巨噬细胞中多胺产生的遗传干扰会改变结肠中整体多胺水平并影响上皮细胞增殖。
参考文献
Metabolic support by macrophages sustains colonic epithelial homeostasis. Cell Metabolism. 2023.
05
Nature Communications | 线粒体功能障碍促使T细胞耗竭
T细胞耗竭是癌症和持续性感染的标志特征，终末耗竭T细胞稳定地由前体种群/ /祖细胞（Tpex）补充，然而，控制Tpex维持的代谢原理以及指示其功能耗竭的信号调控仍不完全明确。本研究通过基因缺陷小鼠、单细胞转录组学和代谢组学相结合，发现线粒体功能障碍是引发T细胞功能耗竭的细胞内触发因素。
1
本研究培育了T细胞特异性缺失编码线粒体磷酸载体（mPiC）的小鼠，使T细胞中的线粒体呼吸作用失效，转向替代代谢途径。细胞外通量分析和RNA测序，以及进一步供体T细胞的表型及功能分析表明，在没有持续的抗原暴露的情况下，线粒体呼吸功能障碍也足以引起T细胞耗竭相关的转录、表型和功能特征。
2
LCMS代谢组学分析显示，在mPiC缺陷的T细胞中下调最多的是几种糖酵解中间体，GSEA富集分析显示其与活性氧（ROS）通路基因表达特征和ROS解毒相关基因的上调密切相关；结合通路富集和转录因子富集分析确定HIF-1α是潜在的调控因子。本部分结果表明由于线粒体障碍导致的氧化应激和代谢重编程能够维持HIF-1α蛋白的稳定和T细胞耗竭。
3
进一步分析发现，线粒体功能障碍导致氧化还原应激，抑制了HIF-1α的蛋白酶体降解，并促进了Tpex细胞的转录和代谢重编程，使其转变为终末耗竭T细胞。
参考文献
Mitochondrial dysfunction promotes the transition of precursor to terminally exhausted T cells through HIF-1α-mediated glycolytic reprogramming. Nature Communications. 2023.
06
Cancer Cell | 肿瘤驻留的乳酸杆菌通过乳酸诱导的代谢重组引起放化疗耐药性
肿瘤微生物可以产生活性代谢物，影响癌症和免疫细胞的信号、代谢和增殖，但当前理解肿瘤-微生物群相互作用的复杂机制仍存在挑战。本研究使用微生物组测序、靶向细菌培养和体外检测相结合的方法，探究影响宫颈癌患者放化疗反应的肿瘤和肠道微生物组特征，最终发现肿瘤中惰性乳杆菌（L.iners）产生的L-乳酸能够诱导肿瘤代谢重构而引起化疗耐药性。
1
分析101名接受放化疗的宫颈癌患者中的肿瘤细菌组与治疗反应不良之间的关系，结果显示肿瘤驻留细菌L.iners丰度与患者治疗反应差、无复发生存率和总生存率降低有关，但不能替代其他肠道或肿瘤微生物、微生物特征或临床特征。
2
分析免疫相关表型，发现L.iners的丰度并不能影响抗原特异性T细胞，表明T细胞的识别和扩增不是低存活率的主要机制。用宫颈癌细胞系分析发现L.iners无细胞上清液可介导辐射抗性的因子以诱导放化疗抵抗，但这种效应不是细菌细胞壁成分的作用。
3
研究进一步发现含有L.iners细菌的肿瘤中L-乳酸水平较高。L-乳酸能够改变肿瘤细胞的信号通路，增加肿瘤细胞的DNA合成和代谢活性，降低肿瘤细胞对放化疗引起的DNA损伤和应激反应，从而诱导癌细胞对化疗和放射治疗产生抵抗，导致肿瘤代谢重编程及多种代谢途径的改变。
参考文献
Tumor-resident Lactobacillus iners confer chemoradiation resistance through lactate-induced metabolic rewiring. Cancer Cell. 2023.
07
Cell Metabolism | 肝脏中的S-腺苷甲硫氨酸水平调节对禁食的适应性反应
禁食可促进健康、延缓衰老并防止肥胖，会触发主要器官系统（包括肝脏、大脑和脂肪组织）的适应性代谢反应。在大多数哺乳动物的肝脏中，禁食12-24小时会导致肝糖原储存的消耗，增加使用脂肪来源的酮体和游离脂肪酸作为能量来源。然而肝脏代谢的这种适应性非常复杂，本研究发现小鼠肝脏S-腺苷甲硫氨酸（SAMe）作为营养的代谢传感器，通过调节磷脂酰乙醇胺N-甲基转移酶（PEMT）活性、β-氧化和肝脏中ATP的产生，以及FGF21介导的脂肪组织中的脂解和产热，来调节分解代谢-禁食反应，揭示了SAMe在禁食代谢适应中的新机制。
1
采用UPLC-MS技术对进食16h后肝脏中的Met、SAMe和SAH水平进行分析，发现肝脏SAMe水平早在6小时就显著下降；另一方面，甲基从SAMe转移后形成的副产物SAH的水平增加，导致SAMe/SAH比率降低；进一步分析MAT1A mRNA和MAT1A蛋白水平，发现两者的表达从12小时到24小时逐渐增加。
2
通过核磁共振光谱跟踪13C标记的Met与其他细胞代谢物的结合，研究发现，在肝脏中MET循环的几种代谢物（包括SAMe、同型半胱氨酸、PC和同型丝氨酸）以及糖异生代谢物（包括3-磷酸甘油、果糖1，6-二磷酸、葡萄糖-6磷酸和葡萄糖）和乳酸中都有放射性标记。
3
通过31P NMR检测法测定总PC和PE含量，发现24小时饥饿的MAT1A-KO小鼠肝脏中PC和PC/PE比率明显下降。
参考文献
Hepatic levels of S-adenosylmethionine regulate the adaptive response to fasting. Cell Metab. 2023.
08
Nature Metabolism | PDK4依赖性高分解代谢和衰老细胞的乳酸生成促进癌症恶性进展
细胞衰老最初被认为是细胞传代后增殖能力丧失，后来发现，衰老是由多种内在或外在因素诱导。衰老细胞仍保持代谢活性，但其代谢景观和由此产生的影响仍未得到充分探讨。该研究证实了衰老细胞的高分解代谢特性，揭示了细胞衰老、乳酸生成以及可能与年龄相关的病理(包括但不限于癌症)之间的代谢联系。
1
通过气相色谱-质谱（GC-MS）分析和[U-13C6 ]-葡萄糖代谢流分析来研究衰老细胞摄取葡萄糖时的代谢模式，发现衰老细胞表现出独特的葡萄糖代谢谱，葡萄糖转运蛋白和糖酵解酶表达增加，糖酵解、TCA循环和氧化磷化活性增强，产生的乳酸量增加，表现为一种过度代谢状态，且PDK4在代谢转变中起到了承上启下的作用。
2
进一步构建小鼠模型，发现抑制PDK4可以减少衰老细胞的积累，从而减少了年龄相关的疾病和肿瘤的发生。此外，抑制PDK4还可以减少衰老细胞的SASP（衰老相关分泌表型），从而减少了癌细胞的侵袭和转移。
3
通过转录组学和蛋白质组学水平的单细胞分析表明，衰老细胞经历了强烈的代谢重编程，以维持其周期停滞但有活力的状态，并上调了维持高度复杂、动态和异质性SASP3所需的蛋白质表达。线粒体功能障碍的许多驱动因素通过破坏细胞质内烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+和NADH）、产生活性氧（ROS）和潜在的其他机制导致细胞衰老。
参考文献
PDK4-dependent hypercatabolism and lactate production of senescent cells promotes cancer malignancy. Nature Metabolism. 2023.
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