近期，重庆医科大学感染性疾病分子生物学教育部重点实验室与清华大学药学院合作揭示代谢重塑调控COVID-19患者炎症应答的新机制，同时还在代谢紊乱与肝癌进展的研究中取得了重要突破，相关成果在Nature Communications、Journal of Clinical Investigation等期刊发表。

近期，重庆医科大学感染性疾病分子生物学教育部重点实验室黄爱龙课题组与清华大学药学院胡泽平课题组合作在Nature Communications期刊上发表题为“Integrated cytokine and metabolite analysis reveals immunometabolic reprogramming in COVID-19patients with therapeutic implications”的研究论文。

论文通过代谢组学和炎症因子整合分析，发现新冠肺炎患者外周血代谢物与细胞因子/趋化因子密切相关，重症新冠肺炎感染患者代谢紊乱与炎症反应过度激活相关。干预精氨酸、色氨酸或嘌呤代谢可以有效抑制SARS-CoV-2感染恒河猴外周血单核细胞的炎症因子释放。

清华大学药学院博士后肖楠、博士后聂萌、博士生庞欢欢、博士后王博弘和重庆医科大学感染性疾病分子生物学教育部重点实验室胡接力研究员为该论文的共同第一作者。清华大学药学院胡泽平教授、重庆医科大学感染性疾病分子生物学教育部重点实验室黄爱龙教授与唐霓教授为共同通讯作者。该研究工作得到了重庆市科学技术局和重庆医科大学新型冠状病毒性肺炎应急项目、国家传染病科技重大专项等项目支持。

由新型冠状病毒（SARS-CoV-2）引起的新冠肺炎（COVID-19）疫情对全球公共卫生安全造成严重威胁，世界卫生组织（WHO）已将其列为全球性大流行病，迫切需要有效的治疗策略。严重的新冠肺炎患者通常会经历细胞因子释放综合征（CRS），也称为“细胞因子风暴”，其表现为促炎细胞因子过量分泌，是引起广泛组织损害，多器官功能衰竭等临床危重症的重要因素。

近年来研究发现，细胞代谢重编程在激活免疫系统和炎症反应中起着关键的调控作用。例如，大部分天然免疫细胞的活化具有葡萄糖摄取和糖酵解增加的供能特征，糖代谢的重要中间产物伊康酸可以诱导I型干扰素产生而发挥抗炎作用。虽然已有研究表明COVID-19患者的外周血代谢物与炎症细胞因子的产生密切相关，然而对于SARS-CoV-2感染后宿主代谢与免疫应答的潜在调控机制，相关研究报道较少。

为了探讨COVID-19患者的代谢紊乱与CRS的关联性，研究人员收集了17例健康人血清，入院1-18天的14例轻症感染者血清和23例重症感染者血清，以及7例连续随访轻症感染者血清。采用靶标代谢与非靶标代谢组分析发现与20例非SARS-CoV-2感染的急性上呼吸道感染者比较，COVID-19患者者具有独特的代谢紊乱特征，其中36种代谢物的变化与新冠肺炎严重程度相关，尤为重要的是，与疾病严重程度密切相关的代谢物大多与嘌呤代谢、色氨酸代谢和精氨酸代谢相关。进一步检测COVID-19患者和健康对照者的28种细胞因子和趋化因子，发现CRS相关细胞因子水平随疾病严重程度呈递进式增加。细胞因子与代谢物相关性分析表明，重症患者代谢通路失调与重要的炎性细胞因子密切相关，例如精氨酸与CRS相关炎症因子IL-6、IL-1β、M-CSF、IL-12 p70、IFN-α2等关联性较强。

为了进一步验证细胞因子与代谢产物的相关性，研究人员分离出感染SARS-CoV-2的恒河猴PBMC细胞，通过干预相关代谢通路，观察能否调控细胞因子的分泌。研究发现，补充代谢物精氨酸或加入色氨酸代谢抑制剂Epacadostat及嘌呤代谢相关抑制剂霉酚酸可以显著抑制SARS-CoV-2诱导的PBMC细胞促炎因子释放，其中大部分与CRS有关。提示血清精氨酸代谢可能在SARS-CoV-2诱导的过度炎症反应中发挥改善作用，可作为COVID-19 CRS的潜在治疗策略。相反，PBMC细胞中加入混合促炎细胞因子后部分代谢物增加，表明代谢重编程可能部分是由SARS-CoV-2感染诱导的炎症细胞因子引起。该研究为SARS-CoV-2感染引起CRS的分子机制提供了新的见解，提示代谢干预可能是一种抑制SARS-CoV-2诱导CRS的新策略。

近日，我校感染性疾病分子生物学教育部重点实验室向进博士、陈昶副研究员、刘芮博士和苟冬梅博士作为并列第一作者的研究成果“Gluconeogenic enzyme PCK1 deficiency promotes CHK2 O-GlcNAcylation and hepatocellular carcinoma growth upon glucose deprivation”在线发表于Journal of Clinical Investigation（DOI:10.1172/JCI144703），唐霓教授、黄爱龙教授和汪凯副研究员为该文的共同通讯作者。

该论文首次报道了肝癌组织中糖异生关键酶——磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶PCK1缺乏能够促进己糖胺生物合成途径（HBP），增强细胞周期检测点激酶CHK2蛋白的O-GlcNAc修饰，进而导致肝癌恶性增殖，而6-重氮-5-氧代-L-正亮氨酸（DON）和氨基氧乙酸（AOA）能阻断HBP介导的O-GlcNAc修饰，从而抑制Pck1肝脏特异性敲除小鼠的肝癌进展。上述研究首次证实了靶向O-GlcNAc糖基化修饰是一种潜在的肝癌治疗新策略。

代谢重编程与肿瘤的发生发展互为因果,是肿瘤的重要特征之一。在实体肿瘤内部，细胞快速增殖导致营养过度消耗，生存环境出现严重的营养限制，例如葡萄糖缺乏。肿瘤细胞为了适应这样的环境，会发生代谢重塑以维持其恶性增殖。课题组长期致力于研究代谢异常与肝癌的发生发展。通过前期生物信息学分析，课题组发现肝癌组织中多个代谢基因表达量显著低于正常肝组织，其中包括胞质型磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶1（PCK1），即糖异生的第一步限速酶，负责催化草酰乙酸（OAA）转化为磷酸烯醇丙酮酸（PEP）。

己糖胺生物合成途径（Hexosamine-biosynthesis pathway, HBP）是机体利用葡萄糖、谷氨酰胺、乙酰辅酶A和UTP等合成的UDP-GlcNAc的过程，其终产物可作为氧连接N-乙酰葡萄糖胺（O-linked N-acetylglucosamine，O-GlcNAc）修饰的供体底物。与磷酸化修饰相似，O-GlcNAc修饰是一种广泛的、动态的蛋白质翻译后修饰方式，参与基因转录和信号转导等多种细胞生命活动。既往研究表明，多种肿瘤组织呈现高O-GlcNAc修饰水平，提示其在肿瘤发生发展中起着重要作用。而糖异生关键酶PCK1的失调是否有助于维持肝癌在葡萄糖缺乏环境中的高O-GlcNAc修饰水平和肿瘤生长？目前尚无相关报道。

课题组首先建立了PCK1基因敲除和过表达肝癌细胞模型、裸鼠移植瘤模型、以及DEN诱导的Pck1基因条件敲除小鼠肝癌模型，发现在低糖培养条件下，肝癌细胞系PCK1敲除后明显促进O-GlcNAc修饰和细胞增殖，而过表达PCK1则显著抑制O-GlcNAc修饰，同时在小鼠体内模型也验证了上述结论。进一步采用非靶标代谢物组学和靶标代谢质谱分析发现，PCK1敲除明显激活HBP途径，增强关键代谢物UDP-GlcNAc合成；同位素示踪法标记代谢流检测发现PCK1敲除通过OAA累积增加天冬氨酸和UDP-GlcNAc合成。此外，PCK1缺失还能通过抑制AMPK/GFAT1信号轴，进而促进HBP介导的O-GlcNAc修饰。

为了寻找O-GlcNAc修饰调控下游信号通路促进肝癌恶性增殖的分子机制，研究人员通过免疫共沉淀联合质谱（IP-MS）实验发现细胞周期调控的关键蛋白CHK2发生了O-GlcNAc修饰；其378位苏氨酸（Thr378）是该翻译后修饰的关键位点。Thr378位点O-GlcNAc修饰增强CHK2蛋白稳定性和二聚体形成，激活下游CDK2/Rb信号通路，从而促进肝癌增殖。此外，在Pck1肝脏敲除小鼠肿瘤模型和临床肝癌组织中验证了PCK低表达、CHK2蛋白的O-GlcNAc修饰以及肝癌的增殖表型密切相关。

上述研究结果揭示了在葡萄糖缺乏条件下糖异生关键酶PCK1低表达或缺失促进HBP途径和维持肝癌增殖的作用，解析了PCK1缺失促进UDP-GlcNAc生物合成和O-GlcNAc修饰的分子机制，并揭示了CHK2蛋白新的翻译后修饰——O-GlcNAc糖基化修饰在肝癌发生发展中的重要性。同时，该研究发现AOA和DON可以通过靶向HBP途径介导的UDP-GlcNAc合成，从而抑制Pck1敲除小鼠肝癌生长，为肝癌提供了一种新的潜在治疗策略，有望促进开发以代谢为靶标的抗肿瘤药物。

O-GlcNAc修饰的鉴定工作得到了北京蛋白质组学国家重点实验室徐平教授团队的鼎力支持，同位素标记示踪实验得到了清华大学药学院胡泽平教授团队的大力帮助。该研究得到国家自然科学基金、重庆市科技创新领军人才支持计划以及重庆市科技局和重庆市教委等项目支持。

来源：科研处 感染性疾病分子生物学教育部重点实验室