Nature | 小线虫，大作用——以线虫为模型揭示个体间代谢差异的产生机制

撰文 | 阿童木

责编 | 兮

代谢酶编码基因的突变会导致代谢物的过度积累/消耗，诱发先天性代谢性疾病的发生，例如常染色体隐性遗传病丙酸血症患者的丙酰辅酶A羧化酶亚基发生突变，患儿可通过新生儿筛查中3-羟基丙酸酯 （ 3HP ） 是否发生异常积累而进行诊断 【1,2】 。另一方面，个体间的代谢差异是由遗传背景、营养摄取、肠道菌群和其他环境因素相互作用的结果，而由于饮食和生活方式等方面的差异，将不同个体间的基因组和基因表达等变异与代谢差异联系起来目前仍很难实现。

近日，美国马萨诸塞大学Albertha J. M. Walhout实验室、康奈尔大学Frank C. Schroeder实验室和西北大学Erik C. Andersen实验室合作在Nature杂志发表了题为  C. elegans as a model for inter-individual variation in metabolism  的研究文章，通过比较3种野生线虫和实验室线虫的代谢差异， 作者发现不同线虫中已知代谢物与未知代谢物（metabolites that have not been previously described）的丰度存在明显差异，其中代谢酶HPHD-1的遗传变异导致野生线虫中丙酸分流途径的中间体3HP及由3HP和氨基酸构成的未知代谢复合物(3HP-AAs)的丰度明显升高。本研究以线虫的丙酸代谢为突破口，揭示了基因变异导致个体间代谢差异性的调控模式。

作者选取了实验室线虫株 （ N2 ） 以及3种来源不同的野生线虫株 （BRC20067、CB4856和DL238） 进行了表达谱分析和代谢组差异分析，并将代谢组分析进一步细分为细胞代谢物 （endo- metabolomes） 和代谢分泌物 （exo-metabolomes） 的代谢组学分析 （图1a） 。为了表征4种线虫株之间的代谢谱差异，作者使用XCMS和Metaboseek平台进行了比较代谢组分析，发现与N2参考线虫株相比，数百种代谢物在3种野生线虫中具有显著不同的丰度，如3种野生线虫中的几种氧化脂肪酸衍生物比N2株更丰富。值得一提的是，作者鉴定到200多种具有高度类群特异性的代谢物，且其中绝大部分代谢物之前未被表征 （图1b） 。在这些代谢物中，最显著的特异性化合物是丙酸分流产生的代谢物3HP，与其他3种线虫的平均值相比，其在DL238线虫的分泌代谢物中富集了7倍以上。

图1 不同线虫的代谢特征存在个体间差异

已知在维生素B12充足的条件下，丙酸分流基因的转录被抑制，丙酰辅酶A代谢为琥珀酰辅酶A；而在B12缺乏条件下，丙酸分流会被激活，丙酰辅酶A被丙酸分流途径降解。DL238线虫中3HP（丙酸分流途径的中间体）的含量上升暗示了通过丙酸分流的通量在DL238线虫中受到阻滞。进一步对差异代谢物的组成及通路富集分析发现，这些差异代谢物通常具有2-羟基丙酸酯/3HP与氨基酸构成的复合物结构 （3HP-AAs） 。鉴于3HP及3HP-AAs丰度在线虫群体间的巨大差异，且丙酸代谢在线虫到人类的进化过程中相当保守，作者因此继续对3HP及其衍生物的代谢和差异进行了深入分析。

首先，作者推测当丙酸通过典型的维生素B12依赖性途径降解时，3HP-AA复合物的合成会受到抑制。不出意料，作者发现补充维生素B12会显著抑制DL238线虫3HP-AA的合成。3HP能够被羟基酸-含氧酸转氢酶-1 （HPHD-1） 氧化为丙二酸半醛，而抑制N2线虫体内HPHD-1编码基因的表达会导致3HP及3HP-AA的合成量上调。缬氨酸分解代谢会产生丙酰CoA，并进入丙酸分流途径，作者通过饲喂¹³C₅标记的缬氨酸 （¹³C₅-Val） 对N2线虫及hphd-1突变体N2线虫进行了同位素示踪实验，结果表明hphd-1突变体中同位素标记的3HP-Val含量更高。因此，DL238线虫会调整丙酸分流途径使3HP和3HP-AAs大量富集，且通过促进3HP/丙酸与氨基酸的结合而实现对丙酸代谢的重构。

由于抑制N2线虫hphd-1基因表达会导致3HP及3HP-AAs异常上调，那么DL238线虫中3HP及3HP-AAs含量较高是否是由于hphd-1基因变异导致的呢？作者发现DL238线虫株的HPHD-1存在两处变异，即K172M和L268P，K172M位于酶的非保守区，而L268P位于保守区。作者构建突变体线虫后，检测了DL238线虫HPHD-1变异对3HP和3HP-AAs丰度的影响，发现DL238^P268L突变体线虫的3HP和3HP-AAs合成急剧下降，而N2^L268P突变体线虫的3HP和3HP-AAs合成显著增强。M172K突变对N2线虫的3HP合成影响不大，但K172M却会导致DL238线虫的3HP合成降低。可见，DL238线虫HPHD-1的L268P 变异是其3HP和3HP-AAs合成量增加的主要原因。此外，DL238及其hphd-1突变体内N-丙酰-AAs的丰度仍高于N2及其突变体线虫，与HPHD-1变异无关，可见DL238线虫具有与N2线虫不同的丙酸代谢机制。

此外，作者发现暴露于外源性3HP下能够强烈延迟DL238线虫的发育，但对N2线虫的影响较小。HPHD-1的L268P突变会导致N2线虫产生与DL238类似的发育延迟表型，而将DL238线虫的P268L突变会缓解由3HP暴露引起的发育延迟。因此，单个氨基酸变异是线虫对过量3HP毒性产生生理性反应的代谢调控基础。

不仅如此，作者还发现另外8种携带HPHD-1变异的野生线虫合成3HP和3HP-AAs的能力也明显增强，这表明含HPHD-1变异的野生线虫通过增强HPHD-1介导的3HP-AAs的生物合成而适应低通量状态。此外，8种野生线虫中有6种线虫的N-丙酰-AAs的富集程度显著高于N2线虫，这进一步印证了野生线虫与N2线虫的丙酸代谢存在明显差异。

最后，作者对丙酸分流基因的表达模式进行了分析，发现DL238线虫中3种负责丙酸分流的基因表达显著上调，这表明DL238线虫以两种方式对 HPHD-1催化通量的降低做出反应，即首先将3HP转化为3HP-AAs，其次诱导hphd-1等控制丙酸分流酶类编码基因的表达水平。

综上所述， 本研究以线虫为模型研究了个体间代谢差异与基因组变异间的关系，发现野生线虫与实验室参考线虫间的代谢机制与代谢物丰度存在明显差异。 为究其原因，作者将比较代谢组学与基因组学手段相结合， 揭示了代谢酶中单个氨基酸变异能够诱导一类新代谢物的合成并导致不同线虫间代谢机制产生差异，本研究为我们解析个体间代谢差异的发生机制及丙酸代谢机制提供了新的见解 。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04951-3

制版人：十一

参考文献

1. Wilcken, B., Wiley, V., Hammond, J. & Carpenter, K. Screening newborns for inborn errors of metabolism by tandem mass spectrometry. N. Engl. J. Med. 348, 2304–2312 (2003).

2. Deodato, F., Boenzi, S., Santorelli, F. M. & Dionisi-Vici, C. Methylmalonic and propionic aciduria. Am. J. Med. Genet. C 142C, 104–112 (2006).

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