代谢组思路 | 第4期. 代谢组学联合转录组学，助力代谢重编程
文摘
教育
2025-01-18 22:39
北京
在前期系列分享的基础上，相信大家对代谢组学有了一个初步的认识，我们代谢组思路新系列分享旨在带领大家一起洞观代谢组学科研方向和思路，理清代谢组学文章的底层逻辑。
我们会通过定期为大家总结代谢组学领域相关文献的形式，帮助大家逐步积累代谢组研究思路方面的相关知识！
Introduction：
上期我们介绍了代谢组学进阶分析思路（代谢组思路 | 第3期. 代谢组学思路进阶——预测预后）——代谢组学+Cox回归分析、KM生存分析用于关联代谢物分数与死亡风险、构建模型、估计生存概率，从而预测预后。
本期我们将为大家介绍——以表达高低改变为始动因素，运用代谢组学联合转录组学深挖代谢重编程机制研究。
文献一: Cell Metabolism IF = 27.7
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Glycometabolic reprogramming-induced XRCC1 lactylation confers therapeutic resistance in ALDH1A3-overexpressing glioblastoma
（Cell Metab . 2024 Aug 6;36(8) :1696-1710. e10. doi : 10.1016 / j.cmet.2024.07.011）
胶质母细胞瘤（GBM）是成人常见且侵袭性强的恶性原发性脑肿瘤，预后差，其干细胞（GSCs）是导致治疗抵抗和复发的关键因素。
一、先验知识：
1. 醛脱氢酶（ALDH）活性增强与癌症不良预后相关，此前研究表明 ALDH1A3 高表达是 GBM 不良预后因素且与糖酵解代谢及放化疗抵抗有关，但机制不明。
2. 同时，乳酸化作为一种新的蛋白质翻译后修饰，在基因调控和细胞功能调节中起关键作用，与肿瘤发生发展相关，但肿瘤糖代谢重编程与治疗抵抗之间的直接联系尚未明确。
二、临床证据：
根据免疫荧光染色将GBM患者分为高表达组和低表达组，我们发现ALDH1A3高表达的患者与低表达的患者不同，在术后放疗和化疗中没有显著受益（图1A）。
三、细胞实验：
ALDH1A2敲除组（KO）的细胞对TMZ和放疗的敏感性增强，而回复实验组（RES）的细胞则恢复了对TMZ及放疗的抵抗力（图1B,C）。
图1 ALDH1A3的高表达促进GSCs的治疗耐药性并提高乳酸水平四、转录组+非靶向代谢组学：
为了探讨ALDH1A3过表达驱动治疗耐药性的机制，作者对这些GSCs进行了RNA测序（RNA-seq）和非靶向代谢组学分析。结果显示，不同水平ALDH1A3的GSCs展现出代谢过程和代谢物的显著差异（图1D-1F和图2A-C）。ALDH1A3表达或其再表达导致L-乳酸和糖酵解代谢的增加，而糖酵解途径相关基因的表达没有明显变化（图1G,H和图2D-H）。文献二: Science Advances IF = 11.7
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Proline metabolic reprogramming modulates cardiac remodeling induced by pressure overload in the heart
（Sci Adv. 2024 May 10;10(19):eadl3549.doi: 10.1126/sciadv.adl3549）
心脏作为人体代谢活跃的重要器官，在压力过载引发的心肌肥大等病理过程中，代谢重塑至关重要。此前研究多关注糖酵解和脂肪酸氧化在心脏重塑中的作用，对氨基酸代谢的研究较少。脯氨酸作为非必需氨基酸，参与细胞多种关键进程，脯氨酸脱氢酶（PRODH）是脯氨酸代谢关键酶。
一、公共数据集+湿实验验证差异：
1. 两个公共RNA测序集：结果显示，在HF和HCM的心脏中，PRODH的表达明显下调（图3A,B）。
2. 一个公共数据集的时间序列单细胞RNA测序分析：TAC诱导的压力超负荷后的小鼠心脏重塑过程中PRODH表达的变化，结果显示，TAC后3天、1周和4周PRODH表达显著降低（图3C,D）。
3. 动物模型：通过进行TAC手术建立了心肌肥大的小鼠模型，4周后采集心脏组织。结果发现，与假手术组相比，TAC小鼠心脏中PRODH的表达水平在mRNA和蛋白质水平上都显著下调（图3E-G）。与此一致，TAC后心脏中的PRODH活性降低（图1H）。
4. 细胞实验：使用苯肾上腺素（PE）刺激新生大鼠心室肌细胞（NRVMs）模拟体外心肌细胞重塑。PE诱导的肥大心肌细胞PRODH的mRNA和蛋白质表达均显著降低（图3I-K）。
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图3 肥大心脏中PRODH表达降低
二、动物实验：
1. 心脏特异性PRODH缺失可加重压力超负荷下不良心脏重塑进展；
2. 心脏特异性PRODH过表达可减弱压力超负荷下的心脏重塑。
三、细胞实验：
1. 沉默PRODH在体外加重PE刺激的心肌细胞肥大；
2. 过表达PRODH在体外减轻PE刺激的心肌细胞肥大。
四、转录组学：
为了研究压力超负荷诱导的心脏重塑背景下PRODH过表达的心脏保护作用，作者同时对接受TAC或假手术的小鼠的分离成年小鼠心肌细胞（AMCMs）和心脏组织进行了RNA-seq。
1. 差异基因分析证实了TAC手术后心肌细胞和心脏组织中PRODH水平的降低（图4A）及其在PRODH过表达后的上调（图4B）。
2. KEGG富集分析表明，TAC促使心脏代谢发生显著变化，包括以下通路的减少：缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸降解；碳代谢；丙酸代谢；柠檬酸循环（TCA循环）（图4E）。而PRODH过表达在很大程度上逆转了这些代谢紊乱。此外，发现PRODH过表达可以减轻与心脏建模相关的几个关键生物过程的增强表达，如局灶性粘附、细胞外基质（ECM）受体相互作用和吞噬体（图4F）。
3. 基因集富集分析（GSEA）显示的结果证实，PRODH过表达后，TCA循环显著富集（图4G）。
图4 PRODH过表达重新编程TAC诱导的心脏代谢变化
4. 非靶向代谢组学：在通过RNA-seq阐明脯氨酸代谢和TCA循环的变化后，作者进一步通过非靶向代谢组学对TAC后的心脏组织进行了代谢产物分析。结果显示，AAV9载体小鼠TAC组的脯氨酸水平明显高于假手术组，同时TCA代谢中间体如琥珀酸、苹果酸和柠檬酸的水平降低（图4I-L）。相反，在接受TAC手术的AAV9PRODH小鼠中，脯氨酸水平明显低于AAV9载体小鼠，但TCA中间体水平显著升高。这一结果表明，PRODH的过表达不仅增强了心肌细胞对脯氨酸的利用，还提高了TCA循环中间产物的水平。
4.1 正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）揭示了接受不同处理的细胞之间不同的代谢模式（图5A,B）。
4.2 差异分析及火山图呈现了PRODH过表达与敲除实验中上调代谢物和下调的代谢物（图5D,E）。4.3 Z评分归一化的结果直观地说明了不同处理后差异表达代谢物（DEM）的变化（图5F,G）。PRODH的过表达降低了脯氨酸水平，并进一步上调了TCA循环中间体和ATP水平，逆转了谷胱甘肽水平的降低和氧化型谷胱甘肽水平的升高。PRODH的敲除表现出相反的效果。4.4 KEGG通路分析进一步支持了该结果：DEMs的富集分析显示，PE刺激上调了心肌细胞中的几种关键代谢途径，如癌症的中心碳代谢、胰高血糖素信号通路和TCA循环（图5H）。PRODH过表达诱导了途径的变化，包括癌症的中心碳代谢、GABA能突触和TCA循环（图5I）。图5 PRODH过表达诱导的代谢重编程恢复了心肌肥大中的TCA循环
这些发现表明：TAC抑制脯氨酸分解代谢和随后的TCA循环，而心肌细胞中PRODH的过表达抵消了这些影响，并通过重新编程脯氨酸代谢恢复了正常的TCA周期。
Summary：
总结一下，本期我们以两篇具体文章为例，简要介绍了代谢组学+转录组学联合分析，即在转录组后结合使用非靶向代谢组学，共同发现表达与代谢物层面改变，为后续进一步深挖机制提供思路。后期我们将继续带着大家一起从浅入深地接触、理解、掌握代谢组学！这就是本期的全部内容啦，你学会了吗？后续我们将继续开始为大家分享代谢组学相关内容。大家对于推送内容有任何问题或建议可以在公众号菜单栏“更多--读者的话”栏目中提出。希望我们能一起成长，共同进步，让医学科研有迹可循！
1. Li G, Wang D, Zhai Y, Pan C, Zhang J, Wang C, Huang R, Yu M, Li Y, Liu X, Liu Y, Wu F, Zhao Z, Hu H, Shi Z, Kahlert UD, Jiang T, Zhang W. Glycometabolic reprogramming-induced XRCC1 lactylation confers therapeutic resistance in ALDH1A3-overexpressing glioblastoma. Cell Metab. 2024 Aug 6;36(8):1696-1710.e10. doi: 10.1016/j.cmet.2024.07.011
2.Lv Q, Li D, Zhao L, Yu P, Tao Y, Zhu Q, Wang Y, Wang M, Fu G, Shang M, Zhang W. Proline metabolic reprogramming modulates cardiac remodeling induced by pressure overload in the heart. Sci Adv. 2024 May 10;10(19):eadl3549. doi: 10.1126/sciadv.adl3549写在最后
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