大家好！今天與大家分享一篇發表在Nature Chemical Biology上的文章"Metabolomics-based discovery of a metabolite that enhances oligodendrocyte maturation"。文章的作者是來自美國Scripps Research Institute的Luke L Lairson教授 以及 Gary Siuzdak教授。他們分別致力于利用化學方法研究細胞命運調控機制以及基于生物質譜的代謝組學研究。
 

1.介紹
代謝組學的研究多集中在生物標志物的篩選上。百趣代謝組學文獻分享，但是在生物學體內，代謝物參與多種生物學過程，例如DNA甲基化修飾、蛋白質修飾、蛋白質的表達調控等。Gary等利用質譜的代謝組學方法研究了少突膠質細胞前體細胞（OPC）的分化過程，發現差異代謝物，并通過進一步的實驗驗證了代謝物在調節關鍵蛋白質表達過程中的作用，進而影響了該蛋白的生物學功能。

2.實驗流程

圖1  整合代謝組學和系統生物學實驗流程圖

3.實驗結果
3.1非靶向代謝組學發現差異代謝物
作者通過LC-QTOF-MS對分化前與分化后的少突膠質細胞前體細胞進行非靶向代謝組學檢測。百趣代謝組學文獻分享，鑒定出超過100個物質，這些物質大多數在成熟的少突膠質細胞中都上調，其中有22個物質被顯著富集到呼吸和氧化還原過程、糖酵解、TCA循環、核苷、嘧啶和嘌呤生物合成途徑這些通路中，如下圖：
 

圖2  表示顯著差異的代謝物的差異水平

3.2靶向代謝組學驗證差異代謝物
根據上面的實驗，牛磺酸和肌酸代謝在少突膠質細胞前體分化過程中顯著上調，分別增加了20倍和10倍；作者對兩個代謝通路中增加20倍的物質以及其代謝通路中上下游的物質進行靶向代謝組學研究。百趣代謝組學文獻分享，結果顯示，兩條代謝通路中的物質在少突膠質細胞分化過程中都上調。其中肌酸、肌酸酐、磷酸肌酸、牛磺酸、亞牛磺酸以及脒基牛磺酸被發現上調4-5倍，由于半胱氨酸是牛磺酸合成的前體，其差異倍數顯著下調4倍。
 

圖3  表示在兩條通路中的物質的差異倍數

3.3牛磺酸調節MBP蛋白的表達
MBP是少突膠質細胞分化過程中的關鍵蛋白，其表達水平與少突膠質細胞的分化成正相關。百趣代謝組學文獻分享，為了檢驗代謝物的生理學的功能及它們對MBP表達的影響，作者將牛磺酸（Tau）、亞牛磺酸、肌酸和磷酸肌酸（PCr）分別添加到基本培養基和添加了苯托品（Bez）或咪康唑（Mcz）兩種藥物的培養基中，發現通過外源性地加入牛磺酸并不能直接促進MBP表達，但是卻可以顯著增強分化誘導劑的誘導效率。

3.3.1  western-blot提示牛磺酸能增強分化誘導劑對MBP表達的作用

圖4  表示MBP的在各處理組中表達量和顯著性水平，虛線代表DMSO活性
 

圖5  MBP在各處理組中的表達水平，β-actin作為對照
 

3.3.2  immunofluorescence analysis證明MBP表達水平增加

圖6  不同處理組中MBP陽性細胞的熒光展示
 

圖7  不同處理組中MBP陽性細胞數量和顯著性水平

3.4牛磺酸能增強分化誘導劑對OPC分化的作用
少突細胞的主要功能是在中樞神經系統中包繞軸突、形成絕緣的髓鞘結構、協助生物電信號的跳躍式高效傳遞并維持和保護神經元的正常的功能。百趣代謝組學文獻分享，通過免疫染色，根據OPC與軸突的功能是否正常。如下圖所示，在牛磺酸處理能顯著增加分化誘導劑Bez與Mcz所引起的共定位情況，表明髓鞘發育更加完善。

圖8  a 軸突和OPC共定位指數；b上圖表示共同培養14天的熒光成像圖，中圖用于計算共定位指數，下圖白色部分表示共定位區域。綠色代表軸突，橙色代表OPC細胞。
 

圖9  上一排是分化的OPCs何皮層神經元共培養的激光共聚焦圖像，下一排紅色部分代表MBP的表達量。

4. 結論
通過代謝組學的系統研究，發現了在OPC細胞分化過程中非常重要的內源分子牛磺酸，并且可能為以少突細胞減少為特征的脫髓鞘疾病的治療提供新的策略。

5. 討論
非靶向代謝組學結合靶向代謝組學對少突膠質細胞的分化與成熟過程進行研究，發現很多表達量改變的代謝物。百趣代謝組學文獻分享，其中一些能夠促進髓鞘再生藥物誘導少突膠質細胞前體分化。這些發現支持了細胞狀態可以通過添加內源性代謝物來改變的概念。尤其是外源的牛磺酸，被發現能夠顯著增強少突膠質細胞的分化。