靶標(biāo)代謝流分析
基于13C或者15N標(biāo)記的靶標(biāo)代謝流分析能夠系統(tǒng)地定量細(xì)胞或者組織內(nèi)特定代謝通路代謝網(wǎng)絡(luò)的流量分布及各代謝途徑的相對貢獻(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)是可以利用細(xì)胞內(nèi)代謝物的質(zhì)量同位體信息的分析方法，不但在很多情況下能夠直觀地表明代謝流量的整體走向，而且通過計(jì)算能夠準(zhǔn)確定量地揭示細(xì)胞內(nèi)各個代謝反應(yīng)的活性，以及深入理解平行反應(yīng)、可逆反應(yīng)等多種復(fù)雜的細(xì)胞內(nèi)代謝過程，直觀揭示細(xì)胞胞內(nèi)的主要活性途徑及各個途徑的相對貢獻(xiàn)及其分布變化特點(diǎn)，從而鑒定出相關(guān)疾病發(fā)生發(fā)展過程的早期診斷的標(biāo)志物及其關(guān)鍵的主要代謝通路，并揭示其相互調(diào)控規(guī)律，為疾病發(fā)生的臨床早期診斷、藥物靶點(diǎn)治療和預(yù)后判斷提供強(qiáng)有力的科學(xué)依據(jù)。
應(yīng)用方向
通過比較不同環(huán)境條件及各種代謝性疾病的不同代謝途徑的代謝流量的分布變化，揭示出相關(guān)疾病發(fā)生發(fā)展過程中的主要代謝通路及其早期診斷的標(biāo)志物；
通過13C代謝流量技術(shù)對胞內(nèi)外的中間代謝物的變化示蹤，可以鑒定出基因工程菌的關(guān)鍵的代謝通路和活性，為提高目標(biāo)代謝產(chǎn)物的合成提供直接的依據(jù)；
可以比較分析細(xì)胞、組織及其血樣和尿液在基因改造的前后的代謝功能變化。
案例分析
腫瘤細(xì)胞代謝重編程
腫瘤細(xì)胞具有高能量和合成代謝的需求，才能適應(yīng)其自身的代謝情況在營養(yǎng)脅迫條件下存活并保持增殖。根據(jù)這項(xiàng)研究，PKCζ缺失會促進(jìn)癌細(xì)胞進(jìn)行代謝重編程，從而在葡萄糖缺乏的條件下通過調(diào)控絲氨酸合成途徑去利用另外一種營養(yǎng)物質(zhì)-谷氨酰胺。PKCζ可以抑制該通路中兩種關(guān)鍵酶PHGDH和PSAT1的表達(dá)，并且通過磷酸化PHGDH抑制其酶活性。研究人員發(fā)現(xiàn)，小鼠中的PKCζ缺失也會增加腸道腫瘤的發(fā)生并提高這兩種代謝酶的表達(dá)，與此同時(shí)低水平PKCζ患者預(yù)后較差。此外在人的腸道腫瘤中，PKCζ和caspase-3的活性與PHGDH有關(guān)。這些結(jié)論揭示了腫瘤代謝酶抑制劑PKCζ在人類癌癥中的關(guān)鍵作用。
圖1 PKCζ通過谷氨酰胺進(jìn)行代謝重編程
參考文獻(xiàn)：
Li Ma, Yongzhen Tao,et al.Control of Nutrient Stres s -Induced M etabol i c Reprogramming by PKCz in Tumorigenesis.cell,2013,152: 599–611.
非靶標(biāo)代謝流分析
經(jīng)典代謝組學(xué)可以反映機(jī)體代謝物的變化及可能被激活的通路，但同一代謝物可能參與多條代謝通路而其豐度不發(fā)生變化。非靶標(biāo)代謝流可以研究代謝流量隨時(shí)間的動態(tài)變化規(guī)律，不限于特定的代謝通路，對流經(jīng)代謝途徑的代謝流量組進(jìn)行定量分析，能夠很好的解釋代謝物在生物途徑中何如變化，將代謝組學(xué)的研究提升到更高的水平和層次。代謝流分析尤其是基于13C標(biāo)記的代謝流技術(shù)已成為近年來的研究熱點(diǎn)技術(shù)之一。
應(yīng)用方向
研究細(xì)胞代謝的動態(tài)變化過程和代謝途徑的流量精細(xì)分布；
通過比較不同代謝途徑的代謝流量的分布變化，揭示相關(guān)疾病發(fā)生發(fā)展過程中的主要代謝通路，促進(jìn)對病理機(jī)制的認(rèn)識；
通過對胞內(nèi)外的代謝物的變化示蹤，找到細(xì)胞增值等信號通路的關(guān)鍵通路及基因。
案例分析
本研究運(yùn)用同位素標(biāo)記技術(shù)，提出了一種新的非靶標(biāo)同位素代謝分析方法（非靶標(biāo)代謝流），運(yùn)用非靶標(biāo)代謝組檢測同位素標(biāo)記物質(zhì)豐度變化，從而分析代謝途徑流量的分布。同時(shí)也詳細(xì)展示了非靶標(biāo)同位素標(biāo)記代謝流的分析流程。最后，以分析人類肺癌細(xì)胞在缺氧條件下的代謝物變化為例來闡述非靶標(biāo)代謝流的分析方法：通過檢測代謝流量變化，發(fā)現(xiàn)谷氨酰胺的增加促進(jìn)乙酰輔酶a產(chǎn)生，經(jīng)NAT8L催化合成的N-乙酰天冬氨酸產(chǎn)生于人肺腺癌A549細(xì)胞，而沉默NAT8L可以抑制A549、JHH-4、PH5CH8和BEAS-2B細(xì)胞的增值，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了NAA在癌細(xì)胞代謝中的潛在重要作用。非靶標(biāo)代謝流解決了當(dāng)前代謝組學(xué)研究的一個主要瓶頸，將代謝組的研究提升到更高的層次。
圖1 非靶向代謝流分析流程圖
圖2 不同氧含量對肺癌細(xì)胞代謝流量的影響
圖3 同位素質(zhì)量分布相似性有助于化合物鑒定
參考文獻(xiàn)：
Daniel Weindl, Thekla Cordes, Nadia Battello, Sean C. Sapcariu, Xiangyi Dong, Andre Wegner and Karsten Hiller, Bridging the gap between non-targeted stable isotope labeling and metabolic flux analysis, Cancer & Metabolism, 2016,4:10.
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