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转录调节因子（TRs）在细胞感知、响应外部刺激和改变细胞内部状态之间起到连接作用。在癌症及各种疾病中，TRs 活性的改变，都会触发相应的代谢重编程，而细胞代谢重编程是癌症的一个重要特征，目前，关于 TRs 在介导癌症代谢重编程中所起作用的系统方法还没有研究。 近期，来自苏黎世联邦理工学院的 Mattia Zampieri 研究团队在 Nature Communications（IF=12.353）发表了题为“Metabolic profiling of cancer cells reveals genome-wide crosstalk between transcriptional regulators and metabolism”的文章。通过计算-实验相结合的方式大规模分析贴壁细胞的代谢组，并绘制了基因组规模的人类细胞 TRs 和代谢物相关性的图谱；整合了54种癌细胞系细胞内的代谢组学、转录组学及蛋白质组学数据，揭示并预测了 TRs 与代谢途径之间的关联作用，为理解疾病病因、药物治疗靶点预测和设计癌症相关 TRs 调节剂提供新的依据。 方法流程 研究结果 1、基因表达的差异调节可以促进代谢异质性 作者通过将计算和实验结合，建立了癌细胞大规模代谢谱的研究框架，使用该研究框架分析来自 NCI-60癌细胞系组中八种不同组织类型的54个贴壁细胞系的细胞内代谢组。细胞系代谢组谱的成对相似性分析（图1c）揭示了来自相同组织类型细胞系代谢组的广泛异质性。发现只有70种代谢物，其细胞内水平对细胞系组织有显著依赖性（图1d）。作者将代谢酶的 mRNA 水平与代谢物丰度相关联，并将酶-代谢物在代谢网络中的平均距离相关联，发现酶基因表达与近端代谢物的水平相关性更强（图1g），反映了酶和相关代谢物水平之间的直接依赖关系，并说明了基因表达的差异调节可以促进代谢异质性。 图1. 54个贴壁癌细胞系的代谢组学比较 2、代谢物水平可用作基因表达调节和细胞代谢的中间读数 作者通过量化代谢表型与 TRs 活性介导的不同转录程序之间的功能相互作用来研究转录组和代谢组之间信号传递过程。TRs 可以通过调节酶丰度，即改变最大通量容量，或通过间接影响近端代谢反应的底物可用性来直接调节代谢通量，这可能反过来导致通量的局部变化。作者整合53个细胞系的转录本丰度数据得出728个 TRs 活性的相对估计并将其活性与跨细胞系的个体代谢物的相对水平相关联（图2a）。发现代谢物与 TRs 活性的相关性最强且具有显著性。这种局部依赖性支持先前的假设，即代谢物水平可以用作中间读数，以研究基因表达调节和细胞代谢之间的功能性相互作用。 3、TR-代谢物关联网络揭示转录调节和代谢表型之间的相互作用 作者测量了每种细胞系中葡萄糖摄取和乳酸分泌的速率，作为糖酵解通量的代表，得到葡萄糖消耗与乳酸分泌紧密相关。与糖酵解通量强相关的代谢物富集于近端糖酵解途径，如氧化磷酸化和 HIF-1信号通路（图2f），包括的代谢物有甘油醛3-磷酸，乙酰-CoA 和 ATP（图2e）。与葡萄糖摄取反相关的代谢物则在单碳代谢中显著富集（图2f）。值得注意的是，泛醌生物合成，胰岛素信号传导，TCA 循环和糖酵解/糖异生的 TRs 得分最高（图2i）。这些发现说明 TR-代谢物关联网络在解决转录调节和代谢表型之间的相互作用方面的功能相关性。 图2. 整合转录组和代谢组数据推断 TR-代谢物关联网络 4、验证 TRs 功能作用的体内有效性 作者在677个 TRs 中发现至少有一个 KEGG 途径中显著富集到 TRs 相关代谢物（图3a），包括145个与癌症相关的 TRs。在该分析中，TRs 数量最多的代谢途径是花生四烯酸和脂肪酸代谢。作者监测了卵巢癌细胞中低氧诱导因子-1α（HIF-1A）的 mRNA 降解后的细胞内代谢动态变化。最突出的代谢变化（图3c）涉及代谢物在 TCA 循环的氧化分支中的积累（图3d），包括柠檬酸盐，草酰琥珀酸盐和 N-乙酰谷氨酸盐，2-氧代戊二酸的下游产物。HIF-1A 敲除后与先前报道的调节作用一致，并且与我们的 TR-代谢物关联网络中的功能关联的富集分析一致（图3a）。 图3. 预测 TRs 与代谢途径的功能联系 5、TRs 介导体内代谢重编程 作者分析了138例患者队列中肾透明细胞癌（ccRCC）和近端正常组织样本之间代谢物丰度的差异。van Hippel Lindau 因子（VHL）基因中的功能丧失突变是 ccRCC 中观察到的最常见和特异的遗传事件，其导致缺氧诱导因子（HIF-1，HIF-2和HIF-3）的过度激活。与 ccRCC 的遗传基础一致，在列出的24种转录调节因子的前1％中鉴定出 VHL 和 HIF-1A，其可能介导 ccRCC 中的代谢重编程（图4a）。结果证明了先前推断的 TR-代谢物关联的体外图谱的体内相关性，并支持其潜在的临床适用性以破译肿瘤组织样品中的代谢重编程。 图4. 推断 TRs 是体内代谢变化的介质 6、多个协调调控机制共同促进 TRs 活性的转录后调节 作者整合了代谢组，蛋白质组和转录组的数据信息，以获得细胞如何激活不同转录程序以响应特定细胞内代谢物丰度变化。酵母和人类中磷酸化相互作用网络的分析表明，与酶相比，TRs 能与更多的激酶相互作用（图5a，b），反映了 TRs 作为介质在磷酸化信号级联中起到了关键作用。作者测量了53个细胞系中100个 TRs 和64个激酶的丰度，明确了磷酸化调节 TRs 活动的主导作用。明确了磷酸化调节 TRs 活动的主导作用，并发现大多数协调调控作用都涉及酶和代谢物的联合作用。该结果表明，多种协调调控机制可能共同促进 TR 活性的转录后调节。 图5. 使用一组非线性模型对 TR 活动进行建模 研究结论 作者绘制了基因组规模的人类细胞 TR- 代谢物相关性图谱，用于大规模的贴壁细胞系代谢分析。通过整合54个癌细胞系的细胞内代谢组学、转录组学和蛋白质组学数据，揭示了 TRs 和代谢途径之间的关联作用。并发现了一个协调葡萄糖和单碳代谢的调控信号，这表明癌症中碳代谢的调控可能比以前认识到的更加多样化和灵活，癌症中的代谢重编程可以与 TR 活性的变化相关联。之后展示了 TR-代谢物图谱，并对 TRs 可能参与肿瘤样本的代谢转化进行了预测，即 TRs 可能负责患者来源的肿瘤样本的代谢转化。该研究为系统研究转录调节因子和人类细胞中信号传导因子之间尚未探索的相互作用提供了线索。 |
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