Metabolomics and proteomics reveal blocking argininosuccinate synthetase 1 alleviates colitis in mice

代謝組學和蛋白質組學揭示阻斷精氨酸琥珀酸合成酶1可緩解小鼠的結腸炎。

發表期刊：Nature Communications

影響因子：15.7

發表時間：2025

發現隊列： 131 例UC患者 和 127 例健康對照

驗證隊列1：141例UC vs 136例對照

驗證隊列2、3：各30例UC vs 30例對照

樣本類型：血清、結腸黏膜、糞便

組學技術：血清非靶/靶向代謝組、黏膜蛋白質組、糞便16S、分子對接

研究背景

潰瘍性結腸炎 （UC） 是一種慢性特發性炎癥性腸病，UC 已成為一項全球健康挑戰。UC 的發展是由多種因素的復雜相互作用驅動的，盡管目前在了解 UC 的發病機制方面取得了重大進展，但其發病機制的確切機制仍不完全清楚。目前的療法，如皮質類固醇和靶向腫瘤壞死因子的生物制劑，已經改善了疾病管理，但也存在一些挑戰。這些局限性凸顯了迫切需要探索針對 UC 病理生理學關鍵方面的治療策略。

技術路線

①臨床現象發現

UC患者血清中存在49種差異代謝物。mTOR信號通路被顯著激活。精氨酸是上調最顯著的代謝物之一，且其水平與疾病嚴重程度(Mayo評分)呈強正相關。

②鎖定關鍵靶點

發現精氨酸合成通路中的限速酶—ASS1在UC患者的結腸組織中蛋白和mRNA水平均顯著上調。ASS1的表達水平也與疾病嚴重程度正相關。

③功能驗證

體外:在腸上皮細胞中用IL-6刺激，發現ASS1表達上調，mTOR通路激活。體內:給DSS結腸炎小鼠模型補充外源精氨酸或過表達ASS1，發現小鼠病情顯著加重。

④機制深入探索

研究發現炎癥因子IL-6能誘導組蛋白修飾（如H3乙酰化、H3K4三甲基化增加，H3K9二甲基化減少），從而開放ASS1基因的啟動子區域，促進其轉錄。

⑤轉化應用

SPR實驗證實C-01與ASS1具有高親和力結合。C-01治療能有效降低精氨酸水平，抑制mTOR通路，顯著改善結腸炎癥狀，效果與臨床常用藥5-ASA相當。

結 果

1.建立人類潰瘍性結腸炎多中心隊列

我們在中國的三家醫院建立了多中心人類UC隊列，在發現隊列和驗證隊列中，對照組和 UC 參與者在性別、年齡或BMI方面均無顯著差異。發現隊列的非靶向代謝組學數據得到9757個代謝特征。

圖1 建立多中心人類 UC 隊列

2.多組學數據顯示 UC 患者的精氨酸和ASS1較高

t-SNE 圖表明 UC 組和對照組的代謝特征形成不同的集群。對篩選到的49種差異表達的代謝物進行 KEGG 通路富集分析，發現mTOR 信號通路顯著富集。代謝物與 Mayo 評分的 Pearson 相關性分析發現，正相關最高的兩種代謝物是精氨酸和亮氨酸。

圖2 對照組和 UC 組之間不同的代謝譜

我們發現三個驗證隊列的UC 患者的血清和糞便樣本中的精氨酸均顯著上調。UC患者血清樣本中的中間代謝物精氨酸琥珀酸鹽顯著升高。此外，患者血清中精氨酸的下游代謝物顯著上調。蛋白組學顯示，與健康組相比UC組的結腸組織樣本中ASS1蛋白顯著上調。四個公共 UC 數據集的 GEO 分析進一步驗證了 UC 患者 ASS1 的上調。在UC患者的6個結腸樣本中，ASS1的IHC評分也與Mayo評分呈正相關。

圖3 人類 UC 患者精氨酸和 ASS1 水平升高

3.外源性精氨酸加劇了 UC 小鼠模型的臨床結果

UC小鼠模型顯示出體重顯著快速減輕，疾病活動指數增加，結腸長度減少。在補充精氨酸的UC小鼠模型中，這種影響進一步加劇。正如預期的那樣，UC 小鼠模型和補充精氨酸的小鼠模型的血清和結腸組織中的精氨酸水平顯著升高。免疫印跡顯示磷酸化的mTOR、STAT3顯著上調，同時UC小鼠模型的結腸組織中ASS1和COX-2蛋白的表達增加。LEfSe顯示，梭菌屬和顫桿菌屬的豐度顯著降低，并在精氨酸給藥后進一步降低。

圖4 外源性精氨酸加劇了 UC 小鼠模型的臨床結果

4 精氨酸合成的操縱顯著影響UC小鼠模型的臨床結果

ASS1過表達對UC小鼠模型中的體重，DAI和結腸縮短產生了相似且顯著的影響。MDLA抑制ASS1也減輕了UC小鼠模型的臨床結果，結腸組織的組織病理學分析進一步證實，MDLA抑制ASS1可減輕炎癥細胞浸潤和粘膜損傷。

圖5 調節精氨酸合成會加重或緩解UC小鼠模型的臨床結果

5 研究細胞對轉錄組FLC特征的貢獻

在IL-6刺激下，通常與活躍染色質相關的H3乙酰化和H3K4三甲基化被招募到ASS1啟動子區域。代表抑制染色質的標志性組蛋白標記H3K9二甲基化在ASS1啟動子區域下降。利用JASPER數據庫，我們確定了轉錄因子c-Myc位于ASS1啟動子內。重要的是，c-Myc的耗竭不僅阻止了IL-6誘導的ASS1上調，還改變了ASS1啟動子區域的染色質結構。

圖6 IL-6暴露下結腸上皮細胞中ASS1的表觀遺傳激活

6.C-01 是 ASS1 的抑制劑

我們提出了一種計算機輔助藥物設計策略來篩選ASS1抑制劑以治愈UC。其中，C-01和C-02有效抑制了IL-6暴露的NCM460細胞中STAT3的磷酸化，C-01效果更顯著。分子動力學和表面等離子體共振分析顯示C-01可以直接與ASS1結合。C-01 治療有效降低了結腸炎小鼠的 DAI 評分，減輕了結腸縮短，改善了結腸組織病理學，并降低了促炎細胞因子的水平。

圖7 篩選確定 C-01 是 ASS1 的抑制劑

文章總結：

針對多中心隊列的代謝組學和蛋白質組學分析揭示，UC患者的血清精氨酸水平以及ASS1均顯著升高。外源性精氨酸輸注和ASS1過表達會加重小鼠結腸炎的病理特征，而抑制或沉默ASS1則可為結腸炎提供保護。ASS1的誘導伴隨著ASS1啟動子周圍H3乙酰化和H3K4三甲基化水平的增加，以及H3K9二甲基化水平的降低，這表明ASS1在結腸炎中發生了表觀遺傳激活。ASS1/精氨酸軸觸發了mTOR和iNOS的激活，并誘導腸道菌群失調，從而導致結腸炎。此外，我們還發現C-01通過與ASS1高度結合，顯著改善了結腸炎。我們的研究結果表明，ASS1可能是治療UC的一個有前景的靶點。