基于代謝組學發(fā)現(xiàn)促進少突膠質(zhì)細胞成熟的代謝物

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方法研究細胞命運調(diào)控機制以及基于生物質(zhì)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(nèi)，代謝物參與多種生物學過程，例如DNA甲基化修飾、蛋白質(zhì)修飾、蛋白質(zhì)的表達調(diào)控等。Gary等利用質(zhì)譜的代謝組學方法研究了少突膠質(zhì)細胞前體細胞（OPC）的分化過程，發(fā)現(xiàn)差異代謝物，并通過進一步的實驗驗證了代謝物在調(diào)節(jié)關鍵蛋白質(zhì)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(tǒng)生物學實驗流程圖

3.實驗結(jié)果
3.1非靶向代謝組學發(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(zhì)，這些物質(zhì)大多數(shù)在成熟的少突膠質(zhì)細胞中都上調(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靶向代謝組學驗證差異代謝物
根據(jù)上面的實驗，�；撬岷图∷岽�謝在少突膠質(zhì)細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)進行靶向代謝組學研究。百趣代謝組學文獻分享，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�；撬嵋约半呋�牛磺酸被發(fā)現(xiàn)上調(diào)4-5倍，由于半胱氨酸是�；撬岷铣傻那绑w，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�；撬嵴{(diào)節(jié)MBP蛋白的表達
MBP是少突膠質(zhì)細胞分化過程中的關鍵蛋白，其表達水平與少突膠質(zhì)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�；撬�、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�；撬崮茉鰪姺只�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(shù)量和顯著性水平

3.4�；撬崮茉鰪姺只�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(jīng)系統(tǒng)中包繞軸突、形成絕緣的髓鞘結(jié)構、協(xié)助生物電信號的跳躍式高效傳遞并維持和保護神經(jīng)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(jù)OPC與軸突的功能是否正常。如下圖所示，在�；撬崽幚砟茱@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(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的表達量。

4. 結(jié)論
通過代謝組學的系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)了在OPC細胞分化過程中非常重要的內(nèi)源分子�；撬�，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(jié)合靶向代謝組學對少突膠質(zhì)細胞的分化與成熟過程進行研究，發(fā)現(xiàn)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(zhì)細胞前體分化。這些發(fā)現(xiàn)支持了細胞狀態(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�；撬�，被發(fā)現(xiàn)能夠顯著增強少突膠質(zhì)細胞的分化。