靶标代谢流分析

基于13C或者15N标记的靶标代谢流分析能够系统地定量细胞或者组织内特定代谢通路代谢网络的流量分布及各代谢途径的相对贡献，其优点是可以利用细胞内代谢物的质量同位体信息的分析方法，不但在很多情况下能够直观地表明代谢流量的整体走向，而且通过计算能够准确定量地揭示细胞内各个代谢反应的活性，以及深入理解平行反应、可逆反应等多种复杂的细胞内代谢过程，直观揭示细胞胞内的主要活性途径及各个途径的相对贡献及其分布变化特点，从而鉴定出相关疾病发生发展过程的早期诊断的标志物及其关键的主要代谢通路，并揭示其相互调控规律，为疾病发生的临床早期诊断、药物靶点治疗和预后判断提供强有力的科学依据。

应用方向

通过比较不同环境条件及各种代谢性疾病的不同代谢途径的代谢流量的分布变化，揭示出相关疾病发生发展过程中的主要代谢通路及其早期诊断的标志物；

通过13C代谢流量技术对胞内外的中间代谢物的变化示踪，可以鉴定出基因工程菌的关键的代谢通路和活性，为提高目标代谢产物的合成提供直接的依据；

可以比较分析细胞、组织及其血样和尿液在基因改造的前后的代谢功能变化。

案例分析

肿瘤细胞代谢重编程

肿瘤细胞具有高能量和合成代谢的需求，才能适应其自身的代谢情况在营养胁迫条件下存活并保持增殖。根据这项研究，PKCζ缺失会促进癌细胞进行代谢重编程，从而在葡萄糖缺乏的条件下通过调控丝氨酸合成途径去利用另外一种营养物质-谷氨酰胺。PKCζ可以抑制该通路中两种关键酶PHGDH和PSAT1的表达，并且通过磷酸化PHGDH抑制其酶活性。研究人员发现，小鼠中的PKCζ缺失也会增加肠道肿瘤的发生并提高这两种代谢酶的表达，与此同时低水平PKCζ患者预后较差。此外在人的肠道肿瘤中，PKCζ和caspase-3的活性与PHGDH有关。这些结论揭示了肿瘤代谢酶抑制剂PKCζ在人类癌症中的关键作用。

图1 PKCζ通过谷氨酰胺进行代谢重编程

参考文献：

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.

非靶标代谢流分析

经典代谢组学可以反映机体代谢物的变化及可能被激活的通路，但同一代谢物可能参与多条代谢通路而其丰度不发生变化。非靶标代谢流可以研究代谢流量随时间的动态变化规律，不限于特定的代谢通路，对流经代谢途径的代谢流量组进行定量分析，能够很好的解释代谢物在生物途径中何如变化，将代谢组学的研究提升到更高的水平和层次。代谢流分析尤其是基于13C标记的代谢流技术已成为近年来的研究热点技术之一。

应用方向

研究细胞代谢的动态变化过程和代谢途径的流量精细分布；

通过比较不同代谢途径的代谢流量的分布变化，揭示相关疾病发生发展过程中的主要代谢通路，促进对病理机制的认识；

通过对胞内外的代谢物的变化示踪，找到细胞增值等信号通路的关键通路及基因。

案例分析

本研究运用同位素标记技术，提出了一种新的非靶标同位素代谢分析方法（非靶标代谢流），运用非靶标代谢组检测同位素标记物质丰度变化，从而分析代谢途径流量的分布。同时也详细展示了非靶标同位素标记代谢流的分析流程。最后，以分析人类肺癌细胞在缺氧条件下的代谢物变化为例来阐述非靶标代谢流的分析方法：通过检测代谢流量变化，发现谷氨酰胺的增加促进乙酰辅酶a产生，经NAT8L催化合成的N-乙酰天冬氨酸产生于人肺腺癌A549细胞，而沉默NAT8L可以抑制A549、JHH-4、PH5CH8和BEAS-2B细胞的增值，同时也发现了NAA在癌细胞代谢中的潜在重要作用。非靶标代谢流解决了当前代谢组学研究的一个主要瓶颈，将代谢组的研究提升到更高的层次。

图1 非靶向代谢流分析流程图

图2 不同氧含量对肺癌细胞代谢流量的影响

图3 同位素质量分布相似性有助于化合物鉴定

参考文献：

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.