Arginine

引言 肠道是体内极其重要的“代谢-免疫-微生态菌群”相互作用及彼此调节的器官，其稳态维持对于整个机体的正常生理功能起着关键的调控作用。小肠具有独特的双向营养供给环境，包括从肠内吸收“吃进来”的饮食营养及微生物菌群来源的代谢物（肠腔面营养）以及经由血管供给到小肠的系统循环营养代谢物（血供面营养）。这种“肠内-肠外”双向营养供应模式是小肠生理的显著特征，其失衡与肠道功能异常、免疫屏障受损、系统代谢紊乱如肥胖和心血管疾病的发生密切相关。但不同营养供应如何差异性调控小肠生理，包括宿主防御和系统代谢平衡仍不清楚。 2024年10月19日，浙江大学医学院/附属邵逸夫医院王迪团队联合浙江大学爱丁堡大学刘琬璐团队及中国科学院上海药物研究所刘佳团队在Cell杂志发表了文章A two-front nutrient supply environment fuels small intestinal physiology through differential regulation of nutrient absorption and host defense，该研究系统性阐明了小肠双向营养供给环境的核心特征与动态规律，可视化了不同营养路径和营养种类在小肠吸收过程中的时空差异及其对机体防御（包括黏膜免疫和屏障功能）和营养吸收（包括脂质吸收和整体代谢）的调控作用，同时揭示了肠内营养供给紊乱引发肠道脂质过度吸收进而加剧心血管疾病发生发展的机制。 为了明确不同营养供应的调控作用，研究人员设计了三种营养供给模式：1.对照组小鼠，自由进食饲料并由静脉给予生理盐水；2.肠外营养组小鼠，剥夺饲料并由静脉给予肠外营养液（与对照组等能量）；3.禁食组小鼠，剥夺饲料并由静脉给予生理盐水。通过系统描绘包含“代谢物-蛋白质-微生物-宿主”多维度的小肠双向营养供给环境，发现肠腔面营养会显著提高脂质和胆汁酸代谢物及其相关肠道菌的丰度，而血供面营养则富集碳水化合物及有机酸。在生理功能层面上发现肠腔面营养促进脂质吸收、上皮屏障完整以及肠道荷尔蒙的产生，而血供面营养主要支持DNA合成、胞外基质构成以及免疫调节等。 肠道双向营养供给实验模型及多维度生物学特征整合分析模式图（Credit: Cell） 小肠具有高度组织化的绒毛-隐窝（villus-crypt）结构单元，其中包含多样的细胞类型并在空间分布上存在异质性并呈现出功能区域化（functional zonation）的特征。不同供应模式提供的营养在小肠中的吸收特征及其功能意义是否一样？通过荧光标记营养物质体内示踪和MALDI-MSI技术，研究人员发现肠腔面供给的营养在小肠吸收具有空间分布差异及细胞类型偏好性，主要表现为脂质在绒毛顶端吸收且杯状细胞偏好性摄取谷氨酰胺，而血供面来源的营养物质则表现为均一性吸收。 肠内营养吸收的绒毛区域及细胞类型差异性（Credit: Cell） 谷氨酰胺作为体内含量最高的游离氨基酸，早在上世纪90 年代就被证明能够有效缓解包括短肠综合征、慢性腹泻以及炎症性肠病等在内的肠道损伤【1】，但其作用机制仍不明确。研究人员通过MALDI-MSI技术结合AB/PAS染色发现，杯状细胞偏好性摄取的谷氨酰胺对于维持其胞内的氧化还原平衡至关重要。进一步通过缺失谷氨酰胺饲料喂养及谷氨酰胺转运蛋白抑制剂处理发现，缺失肠腔面谷氨酰胺摄取会显著抑制杯状细胞的粘液生成，进而导致肠道粘液免疫的破坏。 小肠绒毛代谢物分布的空间差异以及谷氨酰胺对粘液免疫的塑造作用（Credit: Cell） 全肠外营养（total parenteral nutrition，TPN）是临床上给予肠道功能严重损坏患者的重要营养支持手段，但会引起肠道屏障受损等一系列并发症【2】。肠道屏障主要由杯状细胞分泌形成的粘液层（mucus layer）、上皮细胞紧密排列组成的上皮屏障及免疫细胞共同组成。研究人员通过单细胞转录组、代谢组及真菌多样性检测发现，在只有肠外营养供给时会引起肠道特定真菌及相关代谢产物细胞松弛素H（cytochalasin H）的显著增加，进而导致上皮细胞间紧密连接受损。更重要的是，抗真菌药物处理能够挽救由于肠外营养供给引起的肠道屏障受损。这为临床治疗全肠外营养引起的肠道并发症提供了新的观点及潜在治疗方案。 临床上全肠外营养（TPN）通过真菌及其代谢物影响正常的肠道屏障功能（Credit: Cell） 健康的饮食方式对于维持正常肠道生理功能及系统代谢稳态至关重要，而长期不规律饮食（例如不吃早餐）会显著提升心血管疾病的发生风险，包括87%的心血管死亡风险及239%的中风风险【3】。为了探究上述双向营养供给失衡对肠道营养吸收的调影响，研究人员通过不同时间（0-24小时）的单一肠外营养供给后再口服进食，发现当肠外营养供给16小时后，通过进食供应的肠腔面营养特别是脂质在小肠中的吸收效率显著提高，而这与生活中不吃早餐所产生的空腹时间是类似的。因此，研究人员推测这种16小时空腹后再进食出现的脂质过度吸收可能与早餐进食窗口期的缺失诱发心血管疾病相关。为了更好地模拟人群中不吃早餐的进食习惯，研究人员开发了一套自动化远程控制的饲养装置，实现对小鼠饮食窗口期的精准控制。结果发现早餐进食窗口的缺失（而非午餐及晚餐）的喂养方式会引起肠细胞中包括胆固醇转运蛋白NPC1L1等脂质吸收基因的表达重编程，从而介导肠道对胆固醇的过度吸收进而加剧动脉粥样硬化的发展（与心脑血管疾病密切相关）。 系统阐释小肠双向营养供应环境塑造机体防御屏障和代谢稳态的核心规律（Credit: Cell） 王迪课题组长期围绕免疫代谢学的生理和病理调节开展系统性研究。在以往研究基础上，该工作运用多维度、可视化研究技术及自主设计的实验装置模型，系统性描绘了小肠双向营养供给环境的高分辨图谱及其对肠道和机体稳态调节的生理功能，将免疫代谢学研究扩展到营养吸收-宿主防御-代谢稳态的系统层面，揭示三者互调互稳的关键规律，并为临床上治疗TPN副作用及饮食紊乱介导的肠道免疫屏障受损及代谢紊乱提供了新的思路。 参考文献 1. Marc Rhoads, J., and Wu, G. (2009). Glutamine, arginine, and leucine signaling in the intestine. Amino Acids 37, 111-122. 10.1007/s00726-008-0225-4. 2. Shou J, Lappin J, Minnard EA, Daly JM. Total parenteral nutrition, bacterial translocation, and host immune function. American Journal of Surgery. 1994;167(1):145–50. 3. Rong, S, Snetselaar, L, Xu, G. et al. Association of Skipping Breakfast with Cardiovascular and All-Cause Mortality. JACC. 2019 Apr, 73 (16) 2025–2032. https://www-cell-com.libproxy1.nus.edu.sg/cell/abstract/S0092-8674(24)00903-6 责编|探索君 排版|探索君 来源|BioArt End 往期精选 围观 一文读透细胞死亡(Cell Death) | 24年Cell重磅综述（长文收藏版） 热文 Cell | 是什么决定了细胞的大小？ 热文 Nature | 2024年值得关注的七项技术 热文 Nature | 自身免疫性疾病能被治愈吗？科学家们终于看到了希望 热文 CRISPR技术进化史 | 24年Cell综述

引言 精氨酸是氨基酸中的“多面手”，其代谢途径复杂，可分解产生鸟氨酸、瓜氨酸、一氧化氮、精胺、亚精胺、肌酸等一系列重要体内代谢物。精氨酸生理功能非常丰富，除了参与蛋白质合成，还是氮平衡、尿素循环、血管舒张、免疫反应、肿瘤发生等多种生理病理过程的调节因子【1-4】。然而，传统的生化方法难以进行原位、实时、动态、在体的分析，因此，迫切需要建立一种能真正用于活细胞和在体精氨酸代谢监测的新技术。 2024年10月15日，华东理工大学药学院、生物反应器工程国家重点实验室、上海市细胞代谢光遗传学技术前沿科学研究基地赵玉政教授、杨弋教授以及上海交通大学医学院附属第九人民医院方伟副主任医师合作在Cell Metabolism发表题为Lighting up arginine metabolism reveals its functional diversity in physiology and pathology的技术长文。该研究报道了一个高性能、遗传编码的精氨酸荧光探针“STAR”，成功实现了在单细胞及活体水平对精氨酸代谢的特异、灵敏地实时动态监测，并系统研究了精氨酸在氨基酸交换转运、巨噬细胞命运转变、基质细胞衰老调控及免疫疾病精准诊断中的重要作用，取得了代谢机理研究与前沿技术创新的双重突破。 模式图（Credit: Cell Metabolism） 遗传编码的荧光探针是解决活细胞与在体代谢监测这一技术难题的神兵利器。聚焦活细胞代谢监测这一国际前沿领域，研究团队历经十几年的攻关，已针对细胞内核心辅酶类NADH、NAD+、NAD+/NADH和NADPH，糖代谢类的乳酸，以及氨基酸类的精氨酸等，研发系列高性能代谢荧光探针以及“高通量”、“全景式”、“跨尺度”的活细胞代谢监测分析技术，系列研究成果发表在Cell Metabolism（2024；2023；2019；2015；2011）、Nature Methods（2017）、Nature Protocols（2024；2018；2016）、Nature Metabolism（2023；2021）、NSMB（2024a；2024b）、Dev Cell（2020）等学术期刊（图1）。研究团队基于智能设计和定向进化等策略，原创高特异、高响应、超灵敏的精氨酸荧光探针STAR，照亮活细胞、组织、活体以及临床样本中的精氨酸代谢。 图1：研发系列高性能遗传编码代谢物探针（Credit: Cell Metabolism） STAR探针具有高度的特异性，不同Kd变体的亲和力覆盖了体内外的精氨酸生理浓度范围。利用STAR探针，研究团队实现了在活细胞及活体中精氨酸代谢的实时动态监测，系统绘制了精氨酸与其他氨基酸的交换转运“导航图”，发现绝大多数外源氨基酸的摄入伴随着细胞内精氨酸的外排（图2），提示精氨酸是维持细胞内氨基酸稳态平衡的关键因子。 图2 活细胞与活体中精氨酸与其他氨基酸的交换转运（Credit: Cell Metabolism） 精氨酸是重要的免疫调节分子。研究团队通过将STAR探针应用于原代巨噬细胞，系统展示了活细胞水平精氨酸在巨噬细胞极化、胞葬、衰老等命运转变中的动态变化（图3），揭示精氨酸在激活和效应等不同阶段具有丰富的功能，为深入研究相关的免疫调节作用和机制奠定了重要基础。研究人员进一步发现，基质细胞衰老中精氨酸分解代谢增强，限制精氨酸则可有效缓解细胞衰老的部分表型，这些研究暗示精氨酸在衰老进程中扮演关键角色。 图3巨噬细胞及基质细胞衰老中精氨酸代谢监测（Credit: Cell Metabolism） 此外，STAR探针在临床应用方面也展现了巨大的潜力。研究团队利用该探针开发了一种简便快速的精氨酸检测方法，能够即时检测人体血清中的精氨酸水平。有趣地发现在健康成年女性和男性群体中，血清精氨酸水平随着年龄的增长而逐渐增加。此外，白癜风患者样本分析数据表明血清精氨酸水平与白癜风的疾病活动性和严重程度密切相关。相较于稳定期，进展期的白癜风患者血清中精氨酸水平显著升高，而这一生物标志物有望用于白癜风的早期诊断和疾病进展监测。 综上，这项研究不仅提供创新性的代谢监测技术，而且揭示精氨酸代谢在维持细胞营养稳态、免疫调控、细胞衰老及疾病诊断的多重作用，是该研究团队从核心辅酶和糖代谢研究拓展到氨基酸代谢领域的又一力作。 参考文献 1. Geiger, R. et al. L-Arginine Modulates T Cell Metabolism and Enhances Survival and Anti-tumor Activity. Cell 167, 829-842 (2016). 2. Mossmann, D. et al. Arginine reprograms metabolism in liver cancer via RBM39. Cell 186, 5068-5083 (2023). 3. Yurdagul, A. Jr. et al. Macrophage Metabolism of Apoptotic Cell-Derived Arginine Promotes Continual Efferocytosis and Resolution of Injury. Cell Metab 31, 518-533 (2020). 4. Poillet-Perez, L. et al. Autophagy maintains tumour growth through circulating arginine. Nature 563, 569-573 (2018). https://www-cell-com.libproxy1.nus.edu.sg/cell-metabolism/abstract/S1550-4131(24)00375-9 责编|探索君 排版|探索君 文章来源|“BioArt” End 往期精选 围观 一文读透细胞死亡(Cell Death) | 24年Cell重磅综述（长文收藏版） 热文 Cell | 是什么决定了细胞的大小？ 热文 Nature | 2024年值得关注的七项技术 热文 Nature | 自身免疫性疾病能被治愈吗？科学家们终于看到了希望 热文 CRISPR技术进化史 | 24年Cell综述