代謝功能障礙相關的脂肪肝?。╩etabolic dysfunction-associated steatotic liver disease， MASLD，舊稱非酒精性脂肪性肝病NAFLD）影響著全球三分之一的人口，它的特征是可逆的肝脂肪變性。代謝變化是MASLD發展和惡化的關鍵，其中氨基酸代謝已成為其發病機制的一個新特征。有研究表明，較低的循環甘氨酸水平與MASLD、心臟代謝疾病和代謝綜合征有關，但關于MASLD中甘氨酸水平下降的機制仍不明朗。
近期，以色列理工學院Eyal Gottlieb，Inbal Mor和美國路易斯安那州立大學健康科學中心Oren Rom共同合作，在Cell Metabolism上發表題為“Serine synthesis via reversed SHMT2 activity drives glycine depletion and acetaminophen hepatotoxicity in MASLD”的研究文章。該研究通過非靶向代謝組、穩定同位素示蹤（代謝流）等技術手段，揭示了MASLD肝臟中甘氨酸減少的根本原因及這一過程如何影響肝臟的解毒能力，并發現補充甘氨酸等治療可緩解這種不良影響。本研究為臨床MASLD的用藥安全監測及新療法的開發提供了見解與策略。
技術路線
CD組：標準食物飲食10周的小鼠
WD組：西方飲食（高脂高糖）10周的小鼠
APAP：對乙酰氨基酚
研究結果
1. MASLD中發生一碳代謝缺陷，甘氨酸消耗
為研究MASLD初期階段的潛在代謝變化，作者對WD組和CD組小鼠進行了表型和和生理生化分析，確定WD組小鼠呈現MASLD初期癥狀，然后對兩組小鼠的肝臟和血漿樣本進行了非靶向代謝組學檢測，從小鼠肝臟中鑒定出324種化合物，從血漿中鑒定出260種化合物；與CD組相比，WD組小鼠的肝臟差異代謝物有107種，血漿差異代謝物有88種；對這些差異物質進行通路富集分析顯示，“絲氨酸與甘氨酸代謝”及“甲基化循環（甲硫氨酸和甜菜堿代謝）” 是最顯著富集的通路。
肝臟是一碳代謝的主要器官，絲氨酸羥甲基轉移酶（SHMT）可介導絲氨酸和甘氨酸相互轉化，同時發生四氫葉酸甲基的轉移；此外甘氨酸還作為甘氨酸N-甲基轉移酶（GNMT）的甲基受體，產生單甲基甘氨酸（肌氨酸）。與對照CD組相比，WD小鼠的甘氨酸、肌氨酸含量均顯著降低，此外大多數甘氨酸衍生物如谷胱甘肽等含量持續減少，但相比之下，肝臟絲氨酸水平沒有下降，而血漿絲氨酸水平顯著升高，導致WD小鼠的絲氨酸與甘氨酸之比增加。
圖1. 代謝組學顯示肝脂肪變性小鼠的一碳代謝下調
以上結果表明，MASLD中發生了甘氨酸消耗現象，其原因可能是SHMT介導的絲氨酸合成增加。
2. 肝脂肪變性的甘氨酸消耗是由絲氨酸合成增加引起的
為驗證上文提出的MASLD甘氨酸消耗假設，作者使用了穩定同位素標記13C2的甘氨酸對CD和WD組小鼠進行同位素示蹤分析。結果表明，13C2甘氨酸處理后，CD和WD小鼠的血漿甘氨酸含量均升高，肝臟甘氨酸也升高，但WD組低于CD組；肝臟中的絲氨酸標記模式表明相當一部分絲氨酸是由甘氨酸合成的；此外，血漿中的絲氨酸水平和標記模式表明，WD小鼠體內由甘氨酸合成絲氨酸的速率更高。
接下來作者進行了兩項驗證實驗。首先，在上述13C2甘氨酸標記的基礎上，使用廣譜SHMT抑制劑——SHIN1處理WD組小鼠，發現肝臟和血漿中絲氨酸水平顯著降低，而甘氨酸含量顯著增加，證明了MASLD中的甘氨酸減少是由肝臟中SHMT介導絲氨酸合成增加導致的。隨后構建了肝細胞SHMT2敲除的模型小鼠，并進行WD處理，結果表明，與非敲除組相比，SHMT2敲除小鼠的循環甘氨酸水平顯著增加，證實了MASLD中甘氨酸的減少是肝細胞代謝變化的直接結果，并確定了線粒體SHMT2參與其中。
圖2. 肝脂肪變性小鼠的甘氨酸消耗是由絲氨酸合成增加導致
3. 甘氨酸的缺失增加了MALSD對外源性氧化應激的易感性
谷胱甘肽（GSH）是一種由甘氨酸和谷氨酸及半胱氨酸組成的三肽，在肝臟應對氧化應激及解毒過程中發揮著重要作用。因此甘氨酸消耗會導致GSH合成減少，在前述的代謝組學分析結果也發現了WD小鼠GSH含量減少的現象。
為進一步研究脂質積累、甘氨酸缺失與肝臟氧化應激的關系，作者分別用棕櫚酸PA及油酸OA處理AML12細胞系，構建了兩種脂肪肝細胞模型。進一步的研究發現PA處理顯著降低了肝細胞內的甘氨酸和GSH水平，并導致氧化應激增加。對乙酰氨基酚（APAP）是一種解熱鎮痛藥物，過量將造成肝毒性，它的安全代謝需要GSH的參與。PA+APAP的共同使用加重了肝細胞的氧化應激，而補充甘氨酸或GSH均可緩解這種氧化應激。
圖3. PA處理會降低培養肝細胞內的甘氨酸和GSH水平，并增加對APAP的敏感性
隨后作者在小鼠體內進行驗證實驗。結果顯示，給予APAP處理后，相比CD組，WD小鼠的肝毒性及氧化應激增強，體現在循環轉氨酶水平、肝臟形態學、組織學評分等指標，這與體外細胞實驗的結果一致。
圖4. 肝脂肪變性的小鼠GSH減少、氧化應激和肝毒性增加
以上結果顯示，肝脂肪變性增加了肝臟對外源性氧化應激的易感性。
4. 甘氨酸可改善肝臟GSH水平，減輕MASLD的APAP毒性
接下來作者探索甘氨酸治療是否可以減輕MASLD的APAP毒性。具體而言，對于WD小鼠，在APAP給藥后的兩個時間點給予甘氨酸治療，隨后進行各項指標檢測。結果表明，口服甘氨酸提高了肝臟GSH的水平，且同位素標記示蹤顯示這些GSH中有相當一部分來自補充的甘氨酸。此外，補充甘氨酸也減輕了APAP誘導的氧化應激、脂質過氧化和DNA損傷，表現在GSSG/GSH比值、γ-H2A.x磷酸化水平、循環轉氨酶水平、臨床癥狀等指標。
圖5. 甘氨酸可恢復肝脂肪變性小鼠的GSH水平并減輕APAP肝毒性
以上結果表明，甘氨酸治療可以改善MASLD中APAP肝毒性增強的情況。
5. 敲除SHMT2可恢復MASLD的谷氨酸和GSH水平，減輕APAP肝毒性
考慮到MASLD中的甘氨酸消耗是由于肝細胞中SHMT2介導的絲氨酸合成增強導致的，作者下一步擬確定肝細胞中SHMT2的缺失是否能減輕APAP的肝毒性。因此作者對肝細胞SHMT2敲除的模型小鼠進行WD+APAP給藥處理，結果顯示，與對照組相比，敲除組小鼠的肝臟甘氨酸和GSH水平顯著升高，氧化應激、DNA損傷程度及循環ALT水平顯著降低，臨床癥狀也有所改善。
圖6. 肝細胞特異性的SHMT2缺失可緩解肝脂肪變性小鼠的APAP毒性
以上結果表明，阻斷肝細胞中的SHMT2可以提高甘氨酸含量，進一步促進GSH的合成，從而減輕MASLD中的APAP肝毒性。
研究結論
本研究通過非靶向代謝組、穩定同位素示蹤（代謝流）等研究方法，發現在MASLD中，絲氨酸羥甲基轉移酶2（SHMT2）的活性改變，增強了甘氨酸向絲氨酸的轉化，使得肝臟GSH的含量降低，抗氧化應激能力減弱，最終降低了肝臟對潛在肝毒性藥物（如APAP）的耐受性。此外，通過補充甘氨酸或抑制甘氨酸向絲氨酸的轉化可以減輕MASLD的APAP肝毒性。
參考文獻
Ghrayeb A, Finney AC, Agranovich B, et al. Serine synthesis via reversed SHMT2 activity drives glycine depletion and acetaminophen hepatotoxicity in MASLD. Cell Metab. 2024 Jan 2;36（1）:116-129.
請掃描二維碼閱讀原文
繪譜幫你測
上述研究中的氨基酸靶向檢測和代謝流技術本均為本公司經典技術產品，已協助客戶發表以CNS主刊和子刊為代表的多篇高水平成果（詳詢技術經理）。
麥特繪譜開創性地搭建了醫學領域高端代謝組學技術平臺，覆蓋了非靶向-全定量-代謝流等全方位的高端醫學代謝組解決方案，同時全面布局微生物組學、轉錄組學和蛋白質組學等多組學技術服務，已成為全球多組學研究者的優選合作伙伴。麥特繪譜擁有Q1000、Q500、Q300、Q200和膽汁酸等各類小分子代謝物、非靶向代謝組學和同位素示蹤代謝流技術等共40+系列檢測方法；已為數百家三甲醫院、科研院所和企業提供多組學解決方案，協助客戶與合作伙伴發表SCI文章400+篇，累計影響因子4000+，平均IF>10，包括Science, Nature, Cell Metabolism, Immunity, Gut, Hepatology, Microbiome等頂級期刊。
END