基于代谢组学发现促进少突胶质细胞成熟的代谢物

大家好！今天与大家分享一篇发表在Nature Chemical Biology上的文章"Metabolomics-based discovery of a metabolite that enhances oligodendrocyte maturation"。文章的作者是来自美国Scripps Research Institute的Luke L Lairson教授 以及 Gary Siuzdak教授。他们分别致力于利用化学方法研究细胞命运调控机制以及基于生物质谱的代谢组学研究。
 

1.介绍
代谢组学的研究多集中在生物标志物的筛选上。百趣代谢组学文献分享，但是在生物学体内，代谢物参与多种生物学过程，例如DNA甲基化修饰、蛋白质修饰、蛋白质的表达调控等。Gary等利用质谱的代谢组学方法研究了少突胶质细胞前体细胞（OPC）的分化过程，发现差异代谢物，并通过进一步的实验验证了代谢物在调节关键蛋白质表达过程中的作用，进而影响了该蛋白的生物学功能。

2.实验流程

图1  整合代谢组学和系统生物学实验流程图

3.实验结果
3.1非靶向代谢组学发现差异代谢物
作者通过LC-QTOF-MS对分化前与分化后的少突胶质细胞前体细胞进行非靶向代谢组学检测。百趣代谢组学文献分享，鉴定出超过100个物质，这些物质大多数在成熟的少突胶质细胞中都上调，其中有22个物质被显著富集到呼吸和氧化还原过程、糖酵解、TCA循环、核苷、嘧啶和嘌呤生物合成途径这些通路中，如下图：
 

图2  表示显著差异的代谢物的差异水平

3.2靶向代谢组学验证差异代谢物
根据上面的实验，牛磺酸和肌酸代谢在少突胶质细胞前体分化过程中显著上调，分别增加了20倍和10倍；作者对两个代谢通路中增加20倍的物质以及其代谢通路中上下游的物质进行靶向代谢组学研究。百趣代谢组学文献分享，结果显示，两条代谢通路中的物质在少突胶质细胞分化过程中都上调。其中肌酸、肌酸酐、磷酸肌酸、牛磺酸、亚牛磺酸以及脒基牛磺酸被发现上调4-5倍，由于半胱氨酸是牛磺酸合成的前体，其差异倍数显著下调4倍。
 

图3  表示在两条通路中的物质的差异倍数

3.3牛磺酸调节MBP蛋白的表达
MBP是少突胶质细胞分化过程中的关键蛋白，其表达水平与少突胶质细胞的分化成正相关。百趣代谢组学文献分享，为了检验代谢物的生理学的功能及它们对MBP表达的影响，作者将牛磺酸（Tau）、亚牛磺酸、肌酸和磷酸肌酸（PCr）分别添加到基本培养基和添加了苯托品（Bez）或咪康唑（Mcz）两种药物的培养基中，发现通过外源性地加入牛磺酸并不能直接促进MBP表达，但是却可以显著增强分化诱导剂的诱导效率。

3.3.1  western-blot提示牛磺酸能增强分化诱导剂对MBP表达的作用

图4  表示MBP的在各处理组中表达量和显著性水平，虚线代表DMSO活性
 

图5  MBP在各处理组中的表达水平，β-actin作为对照
 

3.3.2  immunofluorescence analysis证明MBP表达水平增加

图6  不同处理组中MBP阳性细胞的荧光展示
 

图7  不同处理组中MBP阳性细胞数量和显著性水平

3.4牛磺酸能增强分化诱导剂对OPC分化的作用
少突细胞的主要功能是在中枢神经系统中包绕轴突、形成绝缘的髓鞘结构、协助生物电信号的跳跃式高效传递并维持和保护神经元的正常的功能。百趣代谢组学文献分享，通过免疫染色，根据OPC与轴突的功能是否正常。如下图所示，在牛磺酸处理能显著增加分化诱导剂Bez与Mcz所引起的共定位情况，表明髓鞘发育更加完善。

图8  a 轴突和OPC共定位指数；b上图表示共同培养14天的荧光成像图，中图用于计算共定位指数，下图白色部分表示共定位区域。绿色代表轴突，橙色代表OPC细胞。
 

图9  上一排是分化的OPCs何皮层神经元共培养的激光共聚焦图像，下一排红色部分代表MBP的表达量。

4. 结论
通过代谢组学的系统研究，发现了在OPC细胞分化过程中非常重要的内源分子牛磺酸，并且可能为以少突细胞减少为特征的脱髓鞘疾病的治疗提供新的策略。

5. 讨论
非靶向代谢组学结合靶向代谢组学对少突胶质细胞的分化与成熟过程进行研究，发现很多表达量改变的代谢物。百趣代谢组学文献分享，其中一些能够促进髓鞘再生药物诱导少突胶质细胞前体分化。这些发现支持了细胞状态可以通过添加内源性代谢物来改变的概念。尤其是外源的牛磺酸，被发现能够显著增强少突胶质细胞的分化。