Cell Metabolism | 广州实验室傅肃能团队首次规模性测定在体代谢反应速率

代谢是生命的基础，但测量代谢反应速率仍然具有挑战性。

2023年4月4日，广州实验室傅肃能团队（陈绮珊为第一作者）在Cell Metabolism（IF=31）在线发表题为“Global determination of reaction rates and lipid turnover kinetics in Mus musculus”的研究论文，该研究对小鼠的反应速率和脂质转换动力学进行了整体测定。该研究应用C13通量组学来监测12个组织、9个脑区室和超过1000个代谢物同位素在4天内的饮食葡萄糖碳代谢。用基本代谢单位(EMU)模型确定了85个围绕中心碳代谢的反应速率。乳酸氧化，而不是糖酵解，以与三羧酸循环(TCA)相当的速度发生，支持乳酸作为主要燃料。该研究扩展了EMU框架，以跟踪和量化组织间的代谢物流动。

具体来说，尿苷代谢的多器官EMU模拟表明，组织-血液交换，而不是合成，控制核苷酸稳态。相比之下，同位素指纹和动力学分析显示，棕色脂肪组织(BAT)具有最高的棕榈酸酯合成活性，但对循环没有明显的贡献，这表明组织自主合成-燃烧机制。总之，这项研究证明了饮食通量组学在体内动力学映射的实用性，并为阐明器官间代谢串扰提供了丰富的资源。

代谢是生物学最基本的体现之一。毫不奇怪，数百年来，测量新陈代谢一直是生物学研究的经典主题。从Santorio 的静态称重椅到Antoine Lavoisier的冰量热计，再到现代代谢室，全身方法在理解生物学方面发挥了重要作用。然而，了解疾病和解剖代谢规律需要更精细的组织、细胞和分子水平的知识。

动静脉取样技术使组织水平的代谢理解成为可能。通过测量动静脉代谢物浓度梯度，可以确定代谢物被实验组织消耗或产生的速率。这种方法的一个重大成就是发现了肝脏和肌肉之间的葡萄糖-丙氨酸循环。现在，质谱法可以量化每个组织中数百种循环代谢物的产生和消耗。在个体组织内，同位素标记追踪代谢途径和标记底物的命运。例如，科学家使用闪烁计数器来测量营养物质(如14C-葡萄糖)的吸收率及其转化为大分子的速率。

磁共振波谱(MRS)可以实时测量体内标记底物到产物的净转化率。对于非实时研究，同位素掺入可以通过质谱法定量数百种代谢物。最近，质谱成像能够在亚细胞和亚组织水平上实现空间分辨率的同位素代谢可视化。然而，新陈代谢相互关联的本质迄今为止阻止了测量组织内的单个反应速率。计算框架，包括基本代谢物单位(EMU)，开发利用代谢物同位素标记模式来确定速率。并且，EDU建模所必需的同位素稳态还有待在体内得到全面证明。

机理模式图（图源自Cell Metabolism ）

该研究开发了一种液体饮食配方，以实现体内同位素稳态，并应用通量组学来绘制21只小鼠组织和脑区室中饮食葡萄糖碳的命运。该研究提出的原理证明率计算与先前关于肌肉PPP通量、肝脏TCA通量、丙酮酸激酶活性和PC活性的报道一致。额外的同位素指纹图谱和数学模型揭示了BAT对尿苷稳态的非组织自主调节和葡萄糖-棕榈酸-氧化的组织自主途径。该研究的深层代谢物同位素数据对于绘制代谢路线和速率、确定大分子翻转动力学以及阐明器官间代谢串扰机制具有重要价值。

原文链接：

https://www.cell.com/cell-metabolism/fulltext/S1550-4131(23)00085-2

转自：“iNature”微信公众号

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