導讀聚焦
● 蛋白質-小分子相互作用
小分子代謝物的功能研究是近年來的熱門領域。除代謝組學外，化學蛋白質組學也是常用的工具，利用與靶蛋白質發生特異性相互作用的化學小分子來干擾和探測蛋白質組,從而準確找到小分子作用靶點。本期Nature Chemical Biology的兩篇論文分別通過靶標響應可及性變化譜TRAP和熒光探針的方法探究代謝物和蛋白質之間的作用。
● 腸道菌群代謝的新作用
前述的基于熒光探針的化學蛋白質組技術揭示菌群芳香族單胺產物可激活GPRC5A-β-arrestin；Cell Host Microbe的一項研究鑒定了能夠厭氧降解嘌呤的細菌分類群，通過定植嘌呤降解細菌，證實其可以調節宿主嘌呤代謝；無獨有偶，Science of the Total Environment一篇文章發現來自茶葉的表沒食子兒茶素?3?沒食子酸酯（EGCG）可改善微塑料導致腸菌代謝（主要是嘌呤代謝途徑）介導的焦慮。
● TCA相關代謝酶與腫瘤的新關聯
本期PNAS的一項研究通過代謝流分析證實蘋果酸酶2（ME2）在MYC驅動的T細胞淋巴瘤中的重要作用；Molecular Cancer的一篇論文發現Zeste homolog 2的增強子（EZH2）通過轉錄上調異檸檬酸脫氫酶2（IDH2）促進代謝重組，可作為一個直接的轉錄調節因子促進IDH2在卵巢癌中的表達。
目錄
1. Cancer Cell | 甲硫氨酸限制可通過去甲基化促進cGAS活化和染色質解離和激活從而增強抗腫瘤免疫
2. Nature Communications | 通過代謝和結構分析增強藥物脫靶發現能力
3. Nature Chemical Biology | 癌細胞糖酵解靶向組的化學蛋白質組學定位
4. Nature Chemical Biology | 化學蛋白質組揭示菌群芳香族單胺激活GPRC5A
5. Science of the Total Environment | EGCG調節腸道穩態以改善微塑料誘導的焦慮樣行為
6. Cell Host Microbe | 腸道菌群代謝有助于維持宿主嘌呤穩態
7. PNAS | 蘋果酸酶2維持的細胞氧化還原平衡對MYC驅動的T細胞淋巴瘤發生至關重要
8. Molecular Cancer | EZH2介導的代謝重組促進卵巢癌中獨立于組蛋白甲基轉移酶活性的腫瘤生長
資源領取
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一、Cancer Cell | 甲硫氨酸限制可通過去甲基化促進cGAS活化和染色質解離和激活從而增強抗腫瘤免疫
環GMP-AMP合成酶（Cyclic GMP-AMP synthase, cGAS）是細胞質DNA的主要傳感器，激活I型干擾素信號，在抗腫瘤免疫中發揮重要作用。然而，目前尚不清楚cGAS介導的抗腫瘤活性是否受營養狀況的影響。本研究通過細胞實驗、動物實驗、臨床樣本分析發現甲硫氨酸飲食限制會促進cGAS激活，并增強放療和免疫檢查點抑制劑的抗腫瘤免疫表型，證實甲硫氨酸介導甲基化修飾會招募UHRF1調節cGAS染色質栓系。
1. 為了探究氨基酸是否調節cGAS-STING通路，在全氨基酸缺失的培養基中培養小鼠癌細胞，通過免疫印跡分析和定量分析發現氨基酸剝奪增強了鯡魚睪丸DNA (HT-DNA)刺激的cGAS-STING通路的激活。隨后發現甲硫氨酸剝奪以cGAS依賴性方式增強了STING/TBK1磷酸化和Ifnb1表達。而cGAMP誘導的STING/TBK1激活不受甲硫氨酸剝奪的影響。
2. 為80種賴氨酸甲基轉移酶 (KMT)生成單獨的敲除細胞系，細胞實驗發現甲基轉移酶SUV39H1敲除減少了cGAS甲基化，而甲基化缺失會減弱cGAS與DNA結合，抑制其二聚化和相變過程，降低cGAS活性，增強抗腫瘤免疫。
3. 動物實驗證明腫瘤細胞和甲基化缺失、甲基化模擬修飾可抑制cGAS活性，促進腫瘤逃逸。Cgas K350R或K350M小鼠的腫瘤生長速度比野生型小鼠快，同時腫瘤中的免疫細胞浸潤減少。
4. 通過蛋白質組學分析108例臨床患者的結直腸癌組織陣列，發現高cGAS甲基化與KRAS/NRAS G12/13相關，但與BRAF V600E基因突變和 P53蛋白表達無關。
參考文獻
Methionine restriction promotes cGAS activation and chromatin untethering through demethylation to enhance antitumor immunity. Cancer Cell. 2023.
二、Nature Communications | 通過代謝和結構分析增強藥物脫靶發現能力
闡明細胞內藥物靶標是一個難題，確定藥物靶點的全部范圍對于了解藥物作用機制以及利用多價性解決耐藥性問題至關重要。本研究以多價二氫葉酸還原酶靶向抗生素化合物CD15-3代謝物為研究對象，將已建立的機器學習方法與機制分析相結合，并開發了一套以代謝組學為引導的藥物靶標查找工作流程。
1. 首先，對用CD15-3處理后的細胞進行非靶向代謝組學分析，獲得了參與核苷酸代謝、碳水化合物代謝、輔因子和肽類等的代謝物豐度的差異，并歸納了抗葉酸、細胞膜、DNA合成、翻譯和氧化應激五種潛在機制。
2. 隨后，訓練多類邏輯回歸（LR）模型，以識別與五種潛在機制中每一種相關的代謝組學擾動，結果表明CD15-3代謝組學擾動具有抗葉酸和通用抗生素反應特征。為了進一步縮小哪些擾動與CD15-3依賴性生長抑制最直接相關，選擇使用已鑒定的代謝標志物子集進行代謝補充實驗，確定葉酸擾動是CD15-3的主要作用方式。
3. 進一步對CD15-3可能的替代結合靶標進行蛋白質結構相似性分析，發現葉酸生物合成途徑中的幾種候選上游酶，其結合口袋與二氫葉酸還原酶（DHFR）高度相似。最后，篩選并驗證能夠挽救CD15-3的生長抑制的酶，發現過表達folK（編碼HPPK）從CD15-3誘導的生長抑制中拯救細胞。
參考文獻
Empowering drug off-target discovery with metabolic and structural analysis. Nature Communications. 2023.
三、Nature Chemical Biology | 癌細胞糖酵解靶向組的化學蛋白質組學定位
過度活躍的糖酵解是大多數癌細胞的代謝特征。盡管有少量研究表明糖酵解代謝物具有作為信號分子的非代謝功能，但這些代謝物如何與它們的結合靶點相互作用并在功能上調節它們的結合靶點，目前仍未可知。該研究使用一種新的靶標發現方法—靶標響應可及性變化譜（Target-Responsive Accessibility Profiling，TRAP）技術確定了癌細胞中糖酵解代謝物的全面靶標組，揭示了糖酵解代謝物的多種調控模式，包括與代謝酶結合、影響轉錄輸出和調控翻譯后修飾水平，從而闡明了糖酵解代謝物如何作為信號分子發揮作用。
1. 首先建立TRAP技術，通過標記全蛋白組水平賴氨酸來表征蛋白的溶劑可及性，再通過比較配體結合前后蛋白位點可及性的變化，鑒定靶標及配體結合區域；具有互補于現有靶標發現方法的技術優勢。
2. 利用TRAP技術，在模型癌細胞系中共定性鑒定了160,459個肽段，對應6,926個蛋白質，其中定量鑒定了159,823個肽段，對應6,913個蛋白質。并描繪了10種糖酵解代謝物的靶標組，以及2,487個相互作用，共發現913個候選靶標。
3. 進一步的機制研究揭示了糖酵解代謝物對靶標組的豐富調控模式，包含干擾碳代謝酶的活性、影響轉錄蛋白的功能及靶標的翻譯后修飾水平等。
4. 確證了癌細胞中糖酵解代謝物除了參與代謝層面的活動以外，還作為信號分子發揮全局調控功能，為后續基于糖酵解代謝物的靶標組挖掘癌癥治療靶點提供了重要的線索與數據資源。
參考文獻
Chemoproteomic mapping of the glycolytic targetome in cancer cells. Nature Chemical Biology. 2023.
四、Nature Chemical Biology | 化學蛋白質組揭示菌群芳香族單胺激活GPRC5A
菌群產生多種代謝物，如吲哚-3-乙酸 (IAA) 和色胺 (TA)，具有調節宿主的腸屏障功能、抑制抗腫瘤免疫、促進腸道蠕動等作用。盡管菌群代謝物已被證明與各種細胞蛋白結合，但界定菌群代謝物的蛋白靶標并確定其作用機制仍是難題。本研究開發了 IAA 和 TA 的光親和報告基因用于化學蛋白質組學分析，并發現菌群芳香族單胺產物可刺激 GPRC5A-β-arrestin 募集。
1. 研究團隊在HEK293T細胞中使用異生素反應元件 (XRE) 驅動的熒光素酶報告基因，發現探針x-alk-IAA（劑量依賴）能光交聯 HA 標記的 AhR，并受紫外線的顯著影響。光交聯中存在一些此前未報道的孤立或推定的 G蛋白偶聯受體GPCR 的小分子配體（GPRC5A、GPR107 和 GPR108）。
2. PRESTO-Tango測試發現TA 最有效地激活 GPRC5A；與 x-alk-IAA 相比，x-alk-TA更有效地光交聯 GPRC5A；凝膠內熒光分析和化學蛋白質組學分析顯示，x-alk-TA 組觀察到的蛋白約為x-alk-IAA 的4倍。苯乙胺 (PEA)表現出與 TA 相當的活性，而酪胺和組胺對 GPRC5A 基本無活性，表明只有芳香族單胺可有效誘導 β-arrestin 募集。
3. 團隊通過篩選菌群，結合靶向液相色譜-質譜 (LC-MS)后發現，只有產生高水平的芳香族單胺激動劑或PEA，同時表達aAAs脫羧酶的菌群才能激活GPRC5A；體內外酶活實驗結合高通量PRESTO-Tango篩選，團隊確定了三種酶將 Phe 脫羧為 PEA 以激活 GPRC5A。
4. 化合物芳香部分和烷基胺部分對GPRC5A的激活是必要的。7-氟色胺的有效性約是TA的五倍，多種 PEA 衍生物可激活 GPRC5A。突變實驗表明，GPRC5A 的N252 和F256位氨基酸對激活至關重要。
參考文獻
Chemoproteomics reveals microbiota-derived aromatic monoamine agonists for GPRC5A. Nature Chemical Biology. 2023.
五、Science of the Total Environment | EGCG調節腸道穩態以改善微塑料誘導的焦慮樣行為
聚苯乙烯微塑料(PS?MPs)是現代社會無處不在的污染物。PS?MPs匯集在食物鏈頂端動物（人類）體內并對器官產生多種毒性，包括腸道、肝臟和大腦等。然而，PS?MPs對哺乳動物的焦慮樣行為和潛在機制仍不清楚。本研究發現小鼠暴露于PS?MPs會引發海馬體和焦慮樣行為；表沒食子兒茶素?3?沒食子酸酯（EGCG）通過重塑腸道菌群和血清代謝物，有效改善相關癥狀。
1. 團隊在表型研究中發現，PS?MPs誘導小?產生焦慮樣行為；組織染色和定量實驗發現TLR4/Myd88/NF?κB通路被激活導致海馬神經炎癥。同時，PS?MPs 擾亂了腸道菌群（16S），破壞了腸道屏障，增加了外周炎癥；此外，非靶向代謝組學（LC-MS）發現，血清代謝物也被改變。消除腸道菌群后，可改善焦慮樣行為和相關癥狀。
2. 服用EGCG可以優化PS?MPs導致的菌群多樣性改變，有害菌減少、有益菌增加；組織學和蛋白定量表明其增強了腸道屏障功能，改善了 PS?MPs 介導的腸道穩態損傷和外周炎癥升高。
3. 血清非靶向代謝組研究發現，補充EGCG后表現為嘌呤代謝途徑被主要改善。行為學上，EGCG改善了暴露于 PS?MPs 引起的焦慮樣行為。組織學上，海馬炎癥被顯著抑制。相關性分析發現益生菌Faecalibaculum和 Akkermansia與外周炎癥標志物（LPS、IL?1β、 IL?6 和 TNF?α）顯著負相關。
參考文獻
Epigallocatechin-3-gallate ameliorates polystyrene microplastics-induced anxiety-like behavior in mice by modulating gut microbe homeostasis. Science of the Total Environment. 2023.
六、Cell Host Microbe | 腸道菌群代謝有助于維持宿主嘌呤穩態
飲食對疾病進展的貢獻通常是由腸道微生物組介導，而腸道微生物組可對新陳代謝和炎癥性疾病產生深遠的影響，但影響宿主炎癥性疾病進展的微生物和微生物途徑在很大程度上仍未確定。本研究發現動脈粥樣硬化負荷的變化部分是由腸道微生物群驅動的，并且與小鼠和人類的循環尿酸(UA)水平有關。
1. 將來自具有不同動脈粥樣硬化表型的小鼠品系的微生物群落移植到無菌（GF）載脂蛋白E敲除（ApoE KO）小鼠中，發現動脈粥樣硬化負荷的變化部分是由腸道微生物群驅動的，并且與小鼠和人類嘌呤代謝的終產物-尿酸（UA）水平有關。
2. 在分別補充UA作為碳和能量的主要來源的培養基上使用糞便漿液進行厭氧富集，發現人類腸道細菌可厭氧降解嘌呤。進一步鑒定了能夠厭氧降解嘌呤的細菌分類群，隨后用嘌呤降解細菌定殖的克隆生物小鼠，發現其可以調節腸道和全身UA和其他嘌呤的水平。
3. 運用轉錄組分析鑒定了多種嘌呤厭氧生長所需的細菌基因，并進一步發現編碼厭氧嘌呤降解所需關鍵成分的細菌基因簇允許多種嘌呤的厭氧生長，且嘌呤降解所需的基因在腸道細菌中廣泛存在。
4. 將含有這些基因的細菌類群與ApoE無菌小鼠盲腸中定量的嘌呤相關代謝物水平相關聯，結果顯示幾種嘌呤相關代謝物的盲腸水平與參與厭氧嘌呤降解的基因豐度呈負相關，突出了這些基因作為嘌呤在腸道中分解的生物標志物的潛力。
參考文獻
Gut bacterial metabolism contributes to host global purine homeostasis. Cell Host Microbe. 2023.
七、PNAS | 蘋果酸酶2維持的細胞氧化還原平衡對MYC驅動的T細胞淋巴瘤發生至關重要
T細胞淋巴瘤（TCLs）是一組罕見的、高異質性的腫瘤。已發現原癌基因MYC在驅動T細胞淋巴瘤發生中具有重要作用，但目前仍不清楚MYC是如何發揮作用促進T細胞淋巴瘤發生的。蘋果酸酶是依賴NADP+（NAD+）將蘋果酸氧化成丙酮酸同時產生NADPH（NADH）的代謝酶，連接了細胞的谷氨酰胺代謝和葡萄糖代謝。本研究揭示了蘋果酸酶2（ME2）在MYC驅動的TCL中的重要作用，為臨床上TCL的治療提供新的策略。