▎藥明康德內(nèi)容團隊編輯
如果說生命體是一座精密的城市，代謝網(wǎng)絡就是遍布城市的交通系統(tǒng)，大量代謝反應在基因表達、酶活性的協(xié)調(diào)指揮下有序流轉(zhuǎn)。而在這個復雜系統(tǒng)的背后，是兩個尚未解開的核心問題：
代謝物在代謝通路中的通量，即代謝流（metabolic flux），是如何在代謝網(wǎng)絡內(nèi)分布的？（形象地說，這座城市的“實時路況圖”是什么樣的？）
代謝反應受到干擾時，代謝網(wǎng)絡如何通過轉(zhuǎn)錄調(diào)控代謝基因表達，從而維持代謝穩(wěn)態(tài)？（或者說，當出現(xiàn)“交通堵塞”時，該系統(tǒng)又是如何疏導交通，恢復運行的？ ）
這兩個問題分別也被稱作代謝流態(tài)（metabolic wiring）和代謝轉(zhuǎn)錄重編程（metabolic transcriptional rewiring），其答案對于理解代謝調(diào)控至關重要。但受限于技術(shù)，此前科學家們只能在少數(shù)代謝基因或通路中管中窺豹，缺乏在個體及全局網(wǎng)絡層面的系統(tǒng)性研究。
在最新一期《自然》期刊中，馬薩諸塞大學醫(yī)學院Marian Walhout教授團隊發(fā)表了兩篇背靠背論文，提出了代謝網(wǎng)絡轉(zhuǎn)錄重編程的補償/抑制模型，并且在活體線蟲體內(nèi)成功預測代謝流全網(wǎng)絡分布、揭示了全新的代謝流模式。Walhout教授實驗室李旭航博士、張賀飛博士為兩篇論文的共同第一作者 (排名不分先后)。
全新技術(shù)平臺研究代謝調(diào)控
近年來，隨著CRISPR技術(shù)的發(fā)展，科學家能夠?qū)Σ溉閯游锛毎M行基因干擾/敲除，并且這種干擾與單細胞RNA測序相結(jié)合，用于檢測突變對基因表達的影響。但這種方法目前有兩個局限性：（1）單細胞測序的基因檢測靈敏度較低且價格昂貴；（2）難以在動物體內(nèi)大規(guī)模應用。
與現(xiàn)有技術(shù)相互補，Walhout教授團隊在最新研究中開發(fā)了一種名為Worm Perturb-Seq（簡稱WPS）的新一代功能基因組學方法，實現(xiàn)了動物模型（秀麗隱桿線蟲）中的大規(guī)模并行基因敲低與bulk RNA測序，能夠高靈敏度地檢測基因干擾對轉(zhuǎn)錄組的影響。 介紹WPS技術(shù)的相應文章正在同行評審的最后階段，并已公布在了BioRxiv平臺（附帶詳細Protocol）1。
李旭航博士和張賀飛博士向?qū)W術(shù)經(jīng)緯團隊介紹，WPS技術(shù)在為現(xiàn)有技術(shù)的缺點提供互補的同時，也發(fā)展了自身獨特的創(chuàng)新：“首先，它實現(xiàn)了以bulk RNA-seq作為讀出，提供了極高的數(shù)據(jù)質(zhì)量，如基因檢測靈敏度。同時，這一技術(shù)實現(xiàn)了低成本的、全動物體內(nèi)的擾動和測序，比常規(guī)方法便宜一個數(shù)量級以上。此外，WPS也創(chuàng)新了大規(guī)模bulk RNA-seq數(shù)據(jù)分析的算法平臺——EmpirDE算法?！?/p>
WPS技術(shù)為系統(tǒng)性研究代謝調(diào)控提供了理想的技術(shù)平臺，能夠進行系統(tǒng)性的RNA干擾，逐一抑制線蟲代謝網(wǎng)絡中約900個基因的表達（覆蓋了95%的代謝反應）；同時在全動物水平進行RNA測序，從而系統(tǒng)性分析RNA干擾后的基因表達變化。
補償/抑制模型：從全局理解代謝穩(wěn)態(tài)調(diào)控
整合這些數(shù)據(jù)后，研究團隊在第一篇論文中構(gòu)建了一個代謝基因調(diào)控網(wǎng)絡（mGRN）。在該網(wǎng)絡中，385處擾動通過超過11萬個相互作用，與9414個差異表達基因相連。mGRN網(wǎng)絡呈現(xiàn)高度模塊化，22個擾動簇與44個基因表達程序連接，揭示了代謝通路間的協(xié)同調(diào)控。
▲基因組尺度全動物的線蟲代謝基因調(diào)控網(wǎng)絡。其中圖a為代謝轉(zhuǎn)錄重編程的模式。（圖片來源：原始論文[1]）
接下來，研究團隊利用WPS數(shù)據(jù)整合代謝網(wǎng)絡模型和通量平衡分析，進一步提出了 代謝轉(zhuǎn)錄重編程的補償/抑制（Compensation/Repression , CR）模型。
根據(jù)CR模型，當代謝網(wǎng)絡受到擾動時，生物體通過轉(zhuǎn)錄調(diào)控同時實現(xiàn)補償和抑制：一方面是激活具有相同核心代謝功能的基因，從而彌補擾動帶來的功能損失；同時，與擾動功能無關的其他代謝功能基因則是受到抑制，以減少能量消耗，維持代謝穩(wěn)態(tài)。
CR模型解釋了代謝基因中的大多數(shù)轉(zhuǎn)錄反應，揭示了能量代謝、脂質(zhì)合成、蛋白質(zhì)合成、核酸合成、胞外基質(zhì)合成這5項核心代謝功能的補償和抑制機制。以脂質(zhì)合成為例，敲低脂質(zhì)合成相關基因會激活其他脂質(zhì)合成基因，以維持脂質(zhì)合成的整體功能；同時，脂質(zhì)合成擾動還抑制了能量代謝相關基因，將資源重新分配到脂質(zhì)合成中。
在研究的最后，作者在人類細胞實驗中初步驗證，這個源自線蟲的CR模型也可解釋人類細胞的轉(zhuǎn)錄代謝重編程。由此，該研究為從系統(tǒng)層面理解代謝及其調(diào)節(jié)提供了全新的框架，大幅擴展了此前基于單細胞生物的觀察結(jié)果。研究論文指出，未來的研究計劃將WPS與更直接的組織水平分析相結(jié)合，以進一步研究不同組織和單個細胞中的代謝。
研究團隊指出，補償/抑制模型的發(fā)現(xiàn)解答了困擾領域近十年的疑問：如何理解組學數(shù)據(jù)中常常觀測到的錯綜復雜的轉(zhuǎn)錄重編程變化？“由于這些變化往往與被擾動的基因并不直接相關，因此一種觀點認為大部分轉(zhuǎn)錄重編程都缺乏實際功能。我們通過系統(tǒng)性數(shù)據(jù)和比對分析，終于找到了這一問題的初步答案——這些變化并非毫無意義，而是需要在全局網(wǎng)絡上理解它們與擾動的直接聯(lián)系，即對核心代謝功能補償和抑制。所以，這一模型為從系統(tǒng)層面上理解代謝穩(wěn)態(tài)調(diào)控提供了全新的理論基礎，或許未來能夠更好地幫助我們理解代謝疾病發(fā)生和干預?！?李旭航博士和張賀飛博士介紹道。
代謝流新模式：重新理解代謝可塑性
在第一項研究建立了代謝基因調(diào)控網(wǎng)絡，并且利用該網(wǎng)絡提出了代謝轉(zhuǎn)錄重編程的補償/抑制模型之后，研究團隊在同期發(fā)表的另一篇論文中，將轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的分子表型整合至代謝網(wǎng)絡模型中，系統(tǒng)性地準確預測了正常線蟲體內(nèi)的代謝流分布，并且找到了多個不同于傳統(tǒng)認知的代謝流模式。
代謝流是生物體代謝狀態(tài)的核心指標之一，此前人們難以在多細胞生物中測定整個代謝網(wǎng)絡的通量?，F(xiàn)在，隨著線蟲代謝網(wǎng)絡模型和WPS技術(shù)的出現(xiàn)，代謝流的研究出現(xiàn)了契機。
▲線蟲系統(tǒng)層面的代謝流特征（圖片來源：原始論文[2]）
在最新研究中，研究團隊展示了一種從線蟲的轉(zhuǎn)錄表型中推測整個動物代謝流的策略。研究團隊使用包含了大約900個代謝基因的大規(guī)模WPS數(shù)據(jù)集，表明代謝基因擾動轉(zhuǎn)錄組的分子表型可以與代謝網(wǎng)絡模型整合，從而半定量地推測出線蟲的代謝流分布。
從推測結(jié)果中，研究團隊進一步發(fā)現(xiàn)了一系列不同于以往認知的代謝流特征，包括：以戊糖磷酸途徑的循環(huán)通量為主的中心碳代謝、缺乏嘌呤從頭合成通量、蛋白質(zhì)和細菌RNA作為三羧酸循環(huán)的主要碳源。
以戊糖磷酸途徑的循環(huán)通量為例，研究提出線蟲通過戊糖磷酸循環(huán)消耗細菌RNA中的核糖，而不是傳統(tǒng)認知中的葡萄糖，用于生成NADPH、支持脂質(zhì)合成。同樣，線蟲三羧酸循環(huán)的主要碳源也不是葡萄糖，相反它們以細菌為食，將食物中的蛋白質(zhì)和RNA用作主要碳源。值得一提的是，這些推測都通過穩(wěn)定同位素示蹤實驗得到了證實。
在線蟲中發(fā)現(xiàn)的這些非經(jīng)典代謝流模式，極大地擴展了我們對代謝可塑性的認知。李旭航博士和張賀飛博士以RNA為例解釋道：“RNA是基因表達相關的生物大分子，在此之前從未被認為過可以作為代謝的基本‘原材料’（即碳源）。然而，線蟲中的發(fā)現(xiàn)更新了我們的基本認知，這也對其他系統(tǒng)中的研究產(chǎn)生了極大的啟示：人類等高等生物的食物中也富含大量的RNA, 這些RNA也會是代謝活動碳源的一種嗎？”
另一個案例是，戊糖磷酸途徑的循環(huán)通量可以產(chǎn)生大量還原力（NADPH），而不久前的研究發(fā)現(xiàn)這一過程也在免疫細胞氧化應激時有著重要功能，這是否意味著類似的非經(jīng)典代謝流態(tài)也在正常組織和生理過程中廣泛存在？在該研究的啟發(fā)下，未來或?qū)⒂懈嘁庀氩坏降拇x流模式得以發(fā)現(xiàn)。
研究團隊指出，這項研究中關于線蟲代謝流態(tài)的一系列發(fā)現(xiàn)重新定義了線蟲代謝活動的基礎理論框架，對未來以線蟲為模式動物的生物學研究具有廣泛而深遠的影響。這些獨特的代謝特征為我們思考如何更好地利用線蟲模型進行基礎和疾病研究提供了全新視角。更重要的是，研究建立了解析全局網(wǎng)絡中代謝流態(tài)的新范式，證明了代謝流態(tài)具有極強的可塑性。這一發(fā)現(xiàn)為通過調(diào)節(jié)代謝流態(tài)來治療疾病有重要理論指導意義。
封面圖來源：123RF
參考資料：
[1] Zhang, H. et al. Worm Perturb-Seq: massively parallel whole-animal RNAi and RNA-seq. bioRxiv (2025). https://doi.org/10.1101/2025.02.02.636107
原始論文：
[1] X.H. Li et al., Systems-level design principles of metabolic rewiring in an animal. Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-08636-5
[2] H.F. Zhang et al., A systems-level, semi-quantitative landscape of metabolic flux in C. elegans. Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-08635-6
本文來自藥明康德內(nèi)容微信團隊，歡迎轉(zhuǎn)發(fā)到朋友圈，謝絕轉(zhuǎn)載到其他平臺。如有開設白名單需求，請在“學術(shù)經(jīng)緯”公眾號主頁回復“轉(zhuǎn)載”獲取轉(zhuǎn)載須知。其他合作需求，請聯(lián)系wuxi_media@wuxiapptec.com。
免責聲明：藥明康德內(nèi)容團隊專注介紹全球生物醫(yī)藥健康研究進展。本文僅作信息交流之目的，文中觀點不代表藥明康德立場，亦不代表藥明康德支持或反對文中觀點。本文也不是治療方案推薦。如需獲得治療方案指導，請前往正規(guī)醫(yī)院就診。
熱門跟貼