Nature Methods | 王琳等揭示哺乳动物组织内能量代谢活动的空间分布

代谢组学是离表型研究最近的一门组学，开发技术及方法定量研究生理和病理过程中的代谢变化对及时靶向性的预防、干预疾病的进行具有重要的指导意义。如今日益发展的液质连用技术（LC-MS）和质谱成像技术（MSI）可以提供代谢物的丰度和空间分布信息。然而代谢是一个复杂且动态变化的过程，在空间维度上观察代谢发生的过程仍具有一定的挑战性。

近日，来自普林斯顿大学 Joshua D. Rabinowitz组（第一作者为王琳博士，现任中国医学科学院&北京协和医学院基础医学研究所研究员）和Shawn M. Davidson组的研究人员在Nature Methods发表了题为Spatially resolved isotope tracing reveals tissue metabolic activity的文章。文章通过结合活体同位素示踪和质谱成像技术，研究了哺乳动物肾脏和大脑中能量代谢活动的空间分布。

哺乳动物组织通过摄取血液循环中的营养物质进行能量合成。在前期的工作中Joshua D. Rabinowitz组研究了哺乳动物各组织和肿瘤进行TCA循环所需要的底物。【1-2】然而组织具有异质性，那么这些底物进入TCA循环进行能量合成的过程在组织内的空间分布又是怎样的？

实验采用对小鼠进行¹³C葡萄糖等8种与能量通路相关的营养物质进行示踪，发现，尽管进行能量合成的三羧酸循环通路中的中间体（苹果酸）在小鼠肾脏的肾皮质层和肾髓质层具有相同的浓度分布，两个主要功能区域进行三羧酸循环所摄取的碳源却有显著区别。其中肾皮质层主要消耗乳酸、甘油、谷氨酰胺和柠檬酸进行能量合成，而肾髓质主要消耗脂肪酸进行能量合成。经由基因组学scRNA-seq和免疫荧光成像揭示，这一空间代谢活性的差异主要是受代谢通路中催化代谢反应进行的酶的空间分布决定的。

接下来研究人员对小鼠在正常碳水饮食和生酮饮食下大脑中神经递质谷氨酸合成通路的空间分布进行了系统性分析。经过对小鼠大脑的10个功能区域进行成像发现，在正常碳水饮食中，小鼠大脑各区域均以葡萄糖为碳源合成神经递质谷氨酸，无显著的空间区域分布差异。然而，谷氨酸合成所需氮源则呈现出明显的空间分布差异。中脑区域会以支链氨基酸（亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸）为氮源，通过转氨反应合成谷氨酸；丘脑区域则会用NH₄⁺为氮源通过谷氨酸盐酸脱氢酶合成谷氨酸。当给小鼠喂食低碳水、高脂肪饮食（生酮饮食）时，大脑中谷氨酸合成碳源的空间分布发生了改变，海马体不再以葡萄糖为合成谷氨酸的主要来源，而是开始消耗生酮类物质。

该研究证明了质谱成像技术在研究代谢过程动态分布上的可能性。同时也指出由于受到仪器分辨率的限制，此工作局限在对代谢过程在各个功能区域间分布差异的监测，而无法体现各个细胞间的代谢交流。提出开发单细胞分辨率、高灵敏的质谱成像技术对研究代谢过程具有重要的意义。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41592-021-01378-y

[1] Hui, S., Ghergurovich, J. M., Morscher, R. J., Jang, C., Teng, X., Lu, W., Esparza, L. A., Reya, T., Le, Z., Yanxiang Guo, J., White, E., Rabinowitz, J. D. (2017) Glucose feeds the TCA cycle via circulating lactate. Nature, 551: 115-118.

[2] Hui, S., Cowan, A. J., Zeng, X., Yang, L., TeSlaa, T., Li, X., Bartman, C., Zhang, Z., Jang, C., Wang, L., Lu, W., Rojas, J., Baur, J., Rabinowitz, J. D. (2020) Quantitative fluxomics of circulating metabolites. Cell Metab., 32: 676-688.e4.