由代谢组引发的“血案”：血细胞氧释放机理研究案例
2018-03-02
中科新生命
1931高原反应（high altitude reaction），大家都应该听说过，是人体急速进入海拔3000米以上高原暴露于低压低氧环境后产生的各种不适，是高原地区独有的常见病。轻微症状表现为头痛、头昏、恶心呕吐、心慌气短、胸闷胸痛，严重时会引发呼吸困难，肺水肿，脑水肿等。不同人高原反应也不同。今天给大家介绍的文献就是由一个有趣的人体试验展开的。
鞘氨醇-1-磷酸加快血细胞糖酵解和氧气释放以应对高海拔缺氧环境
Sphingosine-1-phosphate promotes erythrocyte glycolysis and oxygen release for adaptation to high-altitude hypoxia
Nature Communications IF=12.124
文章作者组织了一批志愿者：21个生活在低海拔地区的健康年轻人，直接转移到高海拔地区（海拔5260m）生活16天；分别在12小时，7天和16天进行红细胞代谢组学和氧释放能力检测。
话说这种免费青藏高原一月游，我也好想去啊~
当志愿者到达高海拔地区后，开始进行检测。结果显示，在12小时内，血细胞的氧释放能力增加了约20%，并在之后的16天中继续增强。非靶向代谢组学检测发现红细胞中2,3-BPG（2,3-bisphosphoglycerate, 二磷酸甘油酸）含量在12小时内明显增加，此后一直保持较高的含量。
2,3-bisphosphoglycerate可以促进血红蛋白释放氧气，所以这种增加完全正常，此外糖酵解途径代谢物G3P（也是2,3-BPG的上游中间物）显著增加，G3P的上游代谢物glucose-6-phosphate and fructose 1,6-bisphosphate以及2,3-BPG的下游代谢物2/3-phosphoglycerate and phosphoenolpyruvate却显著降低；磷酸戊糖途径的代谢物phosphogluconolactone, 6-phosphogluconate, erythrose 4-phosphate and sedoheptulose phosphate以及NADPH含量也增加，暗示着低氧胁迫会激活糖酵解途径，抑制磷酸戊糖途径，从而增强2,3-BPG的产生。
同时另一种物质的增长引起了课题组的兴趣：SIP（Sphingosine-1-phosphate， 鞘氨醇-1-磷酸）；酶活性检测发现红细胞SIP的催化酶Sphk1（鞘氨醇激酶1）酶活性也有明显的上调。
为了发掘上述人体实验结果所隐含的分子机理，作者在小鼠体内进行了一系列的深入研究：构建Sphk1突变小鼠，低氧实验发现，野生型小鼠与人体实验一致，氧释放增强，SIP，2,3-BPG含量增加，且Sphk1活性增强；突变小鼠却没有这些变化。并通过小鼠间的骨髓移植实验，证实脊髓来源红细胞中的Sphk1调控了低氧胁迫的氧释放。
小鼠实验结果
代谢流的实验证明低氧诱导时红细胞中的Sphk1可以使葡萄糖流向糖酵解途径。通过对糖酵解途径关键酶甘油磷酸脱氢酶（glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase，GAPDH）定位与活性检测试验，以及SIP与GAPDH互作研究，最终解析了一个完整的调控过程：血细胞内SIP会促进去氧血红蛋白附着与膜上，同时释放膜结合的糖酵解酶，增强糖酵解过程生成2,3-BPG，进而促进红细胞的氧释放。
小编心得
本篇文章是非常经典的代谢组机理机制研究范例，前期通过非靶向代谢组学数据，寻找可能的信号/代谢途径，后期通过对目标蛋白的功能分析，解析隐含的分子机理。代谢组学作为与生物表型最接近的组学数据，越来越多机理机制研究以其为起始点，对代谢组学数据的深度分析就是本研究成功打通的关键，非常值得各位老师借鉴学习。
