大家好！今天與大家分享一篇發(fā)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(xué)方法研究細(xì)胞命運調(diào)控機(jī)制以及基于生物質(zhì)譜的代謝組學(xué)研究。
1.介紹
代謝組學(xué)的研究多集中在生物標(biāo)志物的篩選上。百趣代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，但是在生物學(xué)體內(nèi)，代謝物參與多種生物學(xué)過程，例如DNA甲基化修飾、蛋白質(zhì)修飾、蛋白質(zhì)的表達(dá)調(diào)控等。Gary等利用質(zhì)譜的代謝組學(xué)方法研究了少突膠質(zhì)細(xì)胞前體細(xì)胞（OPC）的分化過程，發(fā)現(xiàn)差異代謝物，并通過進(jìn)一步的實驗驗證了代謝物在調(diào)節(jié)關(guān)鍵蛋白質(zhì)表達(dá)過程中的作用，進(jìn)而影響了該蛋白的生物學(xué)功能。
2.實驗流程
圖1 整合代謝組學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)實驗流程圖
3.實驗結(jié)果
3.1非靶向代謝組學(xué)發(fā)現(xiàn)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(zhì)細(xì)胞前體細(xì)胞進(jìn)行非靶向代謝組學(xué)檢測。百趣代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，鑒定出超過100個物質(zhì)，這些物質(zhì)大多數(shù)在成熟的少突膠質(zhì)細(xì)胞中都上調(diào)，其中有22個物質(zhì)被顯著富集到呼吸和氧化還原過程、糖酵解、TCA循環(huán)、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(xué)驗證差異代謝物
根據(jù)上面的實驗，牛磺酸和肌酸代謝在少突膠質(zhì)細(xì)胞前體分化過程中顯著上調(diào)，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(zhì)以及其代謝通路中上下游的物質(zhì)進(jìn)行靶向代謝組學(xué)研究。百趣代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，結(jié)果顯示，兩條代謝通路中的物質(zhì)在少突膠質(zhì)細(xì)胞分化過程中都上調(diào)。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(fā)現(xiàn)上調(diào)4-5倍，由于半胱氨酸是牛磺酸合成的前體，其差異倍數(shù)顯著下調(diào)4倍。
圖3 表示在兩條通路中的物質(zhì)的差異倍數(shù)
3.3牛磺酸調(diào)節(jié)MBP蛋白的表達(dá)
MBP是少突膠質(zhì)細(xì)胞分化過程中的關(guān)鍵蛋白，其表達(dá)水平與少突膠質(zhì)細(xì)胞的分化成正相關(guān)。百趣代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，為了檢驗代謝物的生理學(xué)的功能及它們對MBP表達(dá)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(yǎng)基和添加了苯托品（Bez）或咪康唑（Mcz）兩種藥物的培養(yǎng)基中，發(fā)現(xiàn)通過外源性地加入牛磺酸并不能直接促進(jìn)MBP表達(dá)，但是卻可以顯著增強(qiáng)分化誘導(dǎo)劑的誘導(dǎo)效率。
3.3.1 western-blot提示牛磺酸能增強(qiáng)分化誘導(dǎo)劑對MBP表達(dá)的作用
圖4 表示MBP的在各處理組中表達(dá)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(dá)水平，β-actin作為對照
3.3.2 immunofluorescence analysis證明MBP表達(dá)水平增加
圖6 不同處理組中MBP陽性細(xì)胞的熒光展示
圖7 不同處理組中MBP陽性細(xì)胞數(shù)量和顯著性水平
3.4牛磺酸能增強(qiáng)分化誘導(dǎo)劑對OPC分化的作用
少突細(xì)胞的主要功能是在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中包繞軸突、形成絕緣的髓鞘結(jié)構(gòu)、協(xié)助生物電信號的跳躍式高效傳遞并維持和保護(hù)神經(jīng)元的正常的功能。百趣代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，通過免疫染色，根據(jù)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(dǎo)劑Bez與Mcz所引起的共定位情況，表明髓鞘發(fā)育更加完善。
圖8 a 軸突和OPC共定位指數(shù)；b上圖表示共同培養(yǎng)14天的熒光成像圖，中圖用于計算共定位指數(shù)，下圖白色部分表示共定位區(qū)域。綠色代表軸突，橙色代表OPC細(xì)胞。
圖9 上一排是分化的OPCs何皮層神經(jīng)元共培養(yǎng)的激光共聚焦圖像，下一排紅色部分代表MBP的表達(dá)量。
4. 結(jié)論
通過代謝組學(xué)的系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)了在OPC細(xì)胞分化過程中非常重要的內(nèi)源分子牛磺酸，并且可能為以少突細(xì)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(xué)結(jié)合靶向代謝組學(xué)對少突膠質(zhì)細(xì)胞的分化與成熟過程進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)很多表達(dá)量改變的代謝物。百趣代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，其中一些能夠促進(jìn)髓鞘再生藥物誘導(dǎo)少突膠質(zhì)細(xì)胞前體分化。這些發(fā)現(xiàn)支持了細(xì)胞狀態(tài)可以通過添加內(nèi)源性代謝物來改變的概念。尤其是外源的牛磺酸，被發(fā)現(xiàn)能夠顯著增強(qiáng)少突膠質(zhì)細(xì)胞的分化。