正在試運行中
中國醫學科學院藥物研究所天然藥物活性物質與功能國家重點實驗室再帕爾·阿不力孜、賀玖明團隊在《Nature Communications》上發表了一篇題為“Spatially resolved multi-omics highlights cell-specific metabolic remodeling and interactions in gastric cancer”的研究論文，采用自主研發的空氣動力輔助解吸電噴霧離子化（AFADESI）技術，揭示了腫瘤內部生化異質性的特征，并結合多組學共定位分析，同步解析代謝物、脂質與基因表達的時空關聯，揭示腫瘤-免疫界面（如精氨酸代謝重編程）關鍵驅動機制。為開發靶向腫瘤代謝微環境的精準治療策略提供了全新視角。（文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-38360-5）
胃癌是全球高發惡性腫瘤（年新增病例超108萬例），其惡性進展與腫瘤代謝重編程密切相關。癌細胞通過劫持代謝通路，在營養匱乏的微環境中攝取養分，以滿足其異常增殖需求。近年研究發現，腫瘤細胞與微環境中免疫細胞、基質細胞間的代謝互作是驅動癌癥進展和免疫逃逸的關鍵機制。盡管代謝組學與轉錄組學研究深化了對胃癌生物學的理解，但傳統技術存在顯著局限：組織均質化處理導致空間信息丟失，無法解析代謝物與基因在腫瘤核心區、侵襲前沿及免疫微環境中的原位分布；單細胞轉錄組（scRNA-seq）雖能刻畫細胞異質性，卻難以捕捉代謝物-脂質動態變化及其介導的細胞間代謝通訊。為突破這些瓶頸，本研究創新性地整合空間分辨代謝組學（SM）、脂質組學（SL）及轉錄組學（ST）技術，通過多組學空間共定位分析實現了三重突破——原位可視化胃癌微環境中代謝網絡的細胞特異性分布；同步解析代謝物、脂質與基因表達的時空關聯；揭示腫瘤-正常細胞界面的代謝重編程機制，為開發靶向代謝微環境的精準治療策略提供了全新視角。
本研究采集7名胃癌患者的術后腫瘤組織，并構建人胃癌SGC7901細胞裸鼠異種移植模型（NPG品系）。經OCT包埋及冷凍切片后，分別進行三類組學分析：采用AFADESI-MSI平臺獲取組織原位代謝物分布空間信息，經MassImager Pro?軟件完成背景扣除、圖像重建及區域代謝物鑒定；通過MALDI-MSI技術捕獲脂質分子空間特征，利用SCiLS Lab 2018b軟件進行質譜圖像處理；基于10x Genomics Visium平臺（固定染色透化→空間條形碼捕獲→逆轉錄建庫）生成全轉錄組空間圖譜，并由Loupe Browser軟件可視化基因表達。多組學數據經H&E染色圖像對齊統一空間坐標系，整合MassImager Pro?、SCiLS Lab及Loupe Browser分析結果，構建代謝物-脂質-基因關聯網絡。最終通過免疫組化（CD20/CD38抗體）驗證空間分布，并借助KOBAS-i和CellTypist工具完成通路注釋與細胞分型，揭示腫瘤-正常細胞界面的代謝重編程機制。
精氨酸與脯氨酸在腫瘤代謝中發揮著關鍵作用，既往研究表明精氨酸可調控T細胞代謝與自噬影響腫瘤生長，與精氨酸代謝密切相關的脯氨酸已被證實參與腫瘤增殖侵襲。AFADESI-MSI在檢測低分子量代謝物如氨基酸、多胺、有機酸等時具有高靈敏度和低背景干擾的顯著優勢。因此本研究通過AFADESI-MSI技術結合轉錄組學可視化精氨酸和脯氨酸的空間分布以及代謝通路中的關鍵代謝物和調控基因，研究發現，精氨酸和脯氨酸的合成關鍵前體谷氨酰胺和谷氨酸在腫瘤中分別呈現上調和下調的相反趨勢。GLUL酶（催化谷氨酸→谷氨酰胺）在腫瘤、淋巴及黏膜肌層高表達（圖1a3,b1）；GLS酶（催化谷氨酰胺→谷氨酸）特異性高表達于腫瘤及淋巴組織（圖1a4,b2）。精氨酸與脯氨酸在腫瘤、上皮及淋巴組織中顯著積累（圖1a7,a11），其合成調控基因ASS1、ALDH18A1、PYCR在相同區域亦上調（圖1a5,a6,a10,b3-b5）。兩者的代謝物多胺主要富集于腫瘤組織，其次分布于上皮、腸道化生及淋巴區（圖1a14,a16,a18）。部分催化酶僅腫瘤表達上調（圖1a9,a12,a17,b6,b8,b10），而ODC1、SRM在腫瘤及淋巴組織均高表達（圖1a13,a15,b7,b9）。綜上，胃癌中精氨酸/脯氨酸通路發生顯著重編程，腫瘤組織內其合成代謝在代謝物及轉錄水平均增強。
圖1. 胃癌中精氨酸與脯氨酸代謝通路的重編程可視化。a精氨酸和脯氨酸代謝通路關鍵代謝物的質譜圖像及基因空間表達圖（質譜圖像中的顏色強度為相對值，基因圖像中的顏色強度為log2轉換值）。b小提琴圖展示精氨酸和脯氨酸代謝通路關鍵基因的表達水平。*鳥氨酸僅通過高分辨率質譜圖鑒定。TT腫瘤組織，TG腫瘤及腺體組織，NE正常上皮，IM腸道化生，LT淋巴樣組織，MM糕肌，PM腫瘤周圍肌層，LM厚膜，CNT結締組織。
脂質代謝重編程被認為是腫瘤細胞的特征。脂肪酸（FA）在細胞能量代謝和細胞信號傳導中發揮著不可或缺的作用，磷脂是細胞膜的基本構成單元，同時可能參與腫瘤生長和轉移相關的重要信號傳導。本文針對這兩種脂質的空間分布特征開展研究，結果顯示，腫瘤區域通過FASN基因高表達驅動飽和脂肪酸FA-16:0富集（圖4f1,g1），并激活SCD酶促進單不飽和磷脂（如PC-34:1、PE-36:1）生成（圖4d5,d8,e2,e3）；而淋巴組織則依賴FADS/ELOVL基因上調（圖4f3,f4,g3,g4），積累多不飽和脂肪酸FA-20:4及相應磷脂PC-38:4/PE-38:4（圖4d6,d9,e2,e3）。磷脂分布特征進一步揭示：飽和磷脂（PC-32:0/PE-34:0）在淋巴組織特異性富集（圖4d4,d7,e2）；多不飽和磷脂酰肌醇PI-34:1/PI-36:1集中于腫瘤上皮區（圖4d10,d11,e4）；而磷脂酰絲氨酸（PS）全域分布（圖4d13-15,e5），磷脂酰甘油（PG）則偏好黏膜肌層/淋巴組織（圖4d16-18,e6）。基因調控層面，腫瘤區高表達的CHKA/ETNK1基因（圖4f5,f6,g5,g6）與分解酶PLD/LYPLA2（圖4f7,f8,g7,g8）協同重塑脂質代謝流，證實腫瘤以單不飽和磷脂支持增殖、淋巴組織以多不飽和脂質參與免疫調節。
圖2.胃癌中重編程脂質合成與代謝通路的可視化展示。a H&E染色胃癌組織切片圖像，樣本編號分別為“0429號”、“0602號”和“0716號”，比例尺=2毫米。實驗重復三次。b脂肪酸從頭合成通路。c磷脂酰膽堿與磷脂酰乙醇胺的合成代謝通路。 d胃癌組織代表性脂質的MS圖像（顏色標尺中的強度值為相對值）。e患者“0429號”胃癌組織不同區域斑點中代表性脂質的表達水平（用于空間脂質組學分析的七個組織樣本，來自患者“0429號”的n = 6個獨立切片區域）。
在腺癌患者0602的病理漸變區域（正常上皮→鋸齒狀病變→腫瘤，圖3a），空間代謝組學揭示分階段代謝重編程：①能量代謝階梯式激活：腫瘤區葡萄糖-磷酸鹽顯著富集（圖3e），驅動無氧糖酵解（乳酸上調，圖3f）及三羧酸循環異常（琥珀酸上調/蘋果酸下調，圖3g-h），伴隨鋸齒狀病變中OXPHOS通路核心基因（NDUFS6/COX5A等）高表達（圖3s）；②免疫調節分子失衡：組胺在病變/腫瘤區漸進性耗竭（圖3i-j），與AOC1基因（催化組胺氧化）的空間梯度上調完全吻合（圖3t及免疫組化驗證）；③脂質重構特征：不飽和脂肪酸FA-18:1及溶血磷脂LysoPC-16:1差異化表達（圖3k-l），受SCD基因漸進上調驅動（圖3u）；④硫酸酯類梯度積累：C22:0-OH-SFT等硫酸酯從正常上皮到腫瘤呈現濃度遞增（圖3m-q），標志微環境免疫信號持續重塑。空間多組學關聯證實：鋸齒狀病變是代謝重編程的關鍵轉折點，其OXPHOS激增與糖酵解前體積累為癌變提供能量基礎。
圖3.胃癌分步代謝重編程可視化。a患者“0602號”胃癌組織切片的H&E染色圖像，比例尺=2毫米。實驗重復三次。b代謝物與脂質驅動的組織切片分割。c基于AFADESI-MSI和MALDI-MSI數據的腫瘤組織（TT）及鋸齒狀腺體結構（SGS）主成分分析（PCA）得分圖譜。d-q MS圖像及不同胃癌組織切片斑點中各化合物的含量，顏色標度表示相對強度。r SGS組織中富集的通路。s氧化磷酸化通路中代表性改變基因，圖中t、u分別表示AOC1和SCD的空間表達圖像，顏色標度為log2轉換值。
空間轉錄組在胃癌腫瘤-鄰近組織界面識別出關鍵過渡簇9（圖4b），該區域在UMAP空間中位于正常簇（1/5/6/8/10）與腫瘤簇（2/3/4/7）之間（圖4c）。功能注釋表明簇9富集免疫炎癥細胞（漿B細胞、濾泡B細胞及Th2樣CD4+T細胞），該結果經過CD20/CD38免疫組化驗證。代謝研究揭示其包含兩種淋巴亞型：鄰近腫瘤的瘤周淋巴組織（PLT）和遠離腫瘤的遠端淋巴組織（DLT）。PLT發生特異性代謝重塑：①谷氨酰胺耗竭（圖4f,i），伴隨谷氨酰胺轉運體SLC1A5及GLS酶上調驅動谷氨酸積累（圖4g,h,j,k,l）；②脂肪酸代謝重編程：長鏈不飽和脂肪酸（花生四烯酸/二十二碳六烯酸等）顯著富集（圖4m-p），受合成基因FASN/SCD/ELOVL上調調控（圖4q-s）；③炎癥介質生成：ALOX5AP上調促進花生四烯酸向白三烯轉化（圖4t），而二十二碳六烯酸則作為抗炎介質底物。此三重機制證實PLT通過剝奪谷氨酰胺和釋放特定脂質介導免疫抑制，為腫瘤創造免疫豁免微環境。
圖4.胃癌腫瘤界面區域免疫代謝重編程的成像分析。a患者“0602號”癌癥組織切片區域。b基于圖譜聚類算法著色的Visium陣列點陣。c基于聚類著色的胃癌組織UMAP圖譜。d胃癌組織細胞簇注釋。e Visium陣列點陣與H&E染色圖像融合對比，比例尺=2毫米。H&E染色實驗重復三次。f、g整個胃癌組織切片及淋巴組織區域的谷氨酰胺與谷氨酸質譜圖像，顏色標尺表示相對強度值。h整個胃癌組織切片及淋巴組織區域的GLS空間表達圖譜，顏色標尺表示log2轉換后的強度值。i-l不同胃癌組織切片中谷氨酰胺、谷氨酸、GLS基因及SLC1A5的表達水平。m-p MS圖像及花生四烯酸、二十二碳六烯酸、二十二碳五烯酸和二十二碳六烯酸在胃癌組織切片中的表達水平，顏色標尺顯示的是相對值。q-t空間圖像及FASN、SCD、ELOVL1和ALOX5AP在胃癌組織中的表達水平，顏色標尺顯示的是log2轉換后的數值。
本研究展示了如何整合空間分辨代謝組學（SM）、脂質組學（SL）及轉錄組學（ST）來表征高度異質性癌癥組織中復雜的腫瘤代謝重塑及其與腫瘤微環境的代謝相互作用，精準捕捉了腫瘤微環境中代謝物、脂質和基因表達特征及其空間變化，并將其與不同代謝通路建立關聯。通過分析發現，癌癥相關的代謝依賴性和免疫代謝改變不僅有助于深入理解腫瘤的分子機制，還揭示了潛在的治療靶點，這些可作為癌癥治療的突破口。
數據來源：“質譜成像”微信公眾號
中國醫學科學院藥物研究所天然藥物活性物質與功能國家重點實驗室賀玖明研究員/國家轉化醫學中心(上海)印彤教授團隊在《Acta Pharmaceutica Sinica B》期刊上發表了一篇題為“Spatial metabolomics highlights metabolic reprogramming in acute myeloid leukemia mice through creatine pathway”的研究論文，采用自主研發的空氣動力輔助解吸電噴霧離子化（AFADESI）技術，實現了AML小鼠肝轉移灶內代謝物的高通量原位鑒定。揭示了AML腫瘤微環境中代謝重編程與相互作用機制，并進一步篩選出具有抑制AML增殖和浸潤潛力的潛在藥物。（文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.apsb.2024.07.004）
急性髓系白血病（AML）作為成人急性白血病首位，中位確診年齡高達68歲，60歲以上患者五年生存率不足10%，其臨床治療面臨嚴峻挑戰。尸檢顯示40%-75% AML病例存在肝浸潤，表明AML肝轉移的核心微環境對疾病進展具有關鍵作用，但其中代謝調控機制長期未知。深入研究發現，AML細胞具有獨特的能量代謝致命弱點——高度依賴氧化磷酸化（OXPHOS）而非糖酵解供能，這種代謝固執性構成其核心治療靶點。其代謝適應機制表現為合成/能量/表觀遺傳多維調控的氨基酸網絡重構，且OXPHOS依賴性獨立于遺傳異常，使AML對OXPHOS抑制劑高度敏感。本研究采用成熟的氣流輔助解吸電噴霧電離質譜成像技術 （AFADESI-MSI），重點分析AML小鼠的肝轉移情況。通過該技術可深入解析AML腫瘤微環境中代謝重編程與相互作用機制，并進一步篩選具有抑制AML增殖和浸潤潛力的潛在藥物。
本研究采用C57BL/6J小鼠構建急性髓系白血病（AML）肝轉移模型，制備肝臟組織冷凍切片，進行蘇木精-伊紅（H&E）染色。采用AFADESI-MSI技術進行空間代謝組學分析，經LC-MS/MS鑒定肝組織代謝物，通過4D-DIA技術對肝組織/細胞裂解液進行蛋白質組學分析，用Spectronaut軟件處理數據，采用免疫組化定位關鍵蛋白分布。另采集6例急性髓系白血病（AML）患者和10例非白血病患者進行代謝與轉錄組驗證，并對肌酸轉運蛋白（Slc6a8）抑制劑ompenaclid在細胞及動物水平進行功能實驗，所有數據經GraphPad Prism 10統計分析。
研究通過AFADESI-MSI分析AML小鼠肝轉移切片，揭示腫瘤區域與周圍組織存在顯著代謝差異。腫瘤病灶（TF）組與腫瘤周邊組織（PR）組間篩選并鑒定出100種差異代謝物，其分布模式呈組間分化，通過這些差異進行代謝通路富集分析，結果顯示精氨酸生物合成、精氨酸及脯氨酸代謝等代謝途徑呈現富集現象（圖1B和C）。主成分分析證實TF與PR組代謝物聚類分離（圖1D），超類別歸類表明差異代謝物以脂質及類脂分子（32.29%）和有機酸及其衍生物（27.08%）為主，凸顯腫瘤微環境代謝復雜性。
圖1 使用AFADESI-MSI技術對白血病小鼠體內內源性代謝物進行空間代謝組學分析。(A)空間代謝組學方法與工作流程，旨在通過分子組織學特征鑒定代謝物。（B，C）對AFADESI-MSI數據進行富集分析(B)和通路分析(C)，并使用MetaboAnalyst 6.0軟件結合KEGG數據庫對VIP值>1且P<0.05的顯著差異表達代謝物進行分析，以揭示潛在生物通路及相互作用。(D)基于AFADESI-MSI數據的主成分分析（PCA）得分圖，對比腫瘤周圍區域（PR）與腫瘤病灶（TF）的代謝特征。PR指腫瘤周圍區域，TF指腫瘤病灶
為驗證質譜成像結果，本研究采用非靶向代謝組學技術分析了轉錄因子、蛋白酶體及肝細胞相關代謝物。分析結果顯示，三組樣本間存在33種差異表達顯著的代謝物。基于MSI與非靶向代謝組學數據的整合分析（圖S2A），前10條核心富集通路包括精氨酸生物合成、精氨酸/脯氨酸代謝、甘油磷脂代謝及嘌呤代謝（圖2B）。TOP20通路分析進一步證實了組氨酸代謝、半胱氨酸/甲硫氨酸代謝及精氨酸相關通路的功能重要性。在KEGG二級分類中，氨基酸代謝是兩種分析體系中最顯著富集的代謝類別。主成分分析（PCA）清晰顯示了三組樣本代謝表型的差異（圖2C）。重疊代謝物的對比分析揭示了精氨酸與脯氨酸代謝途徑的顯著富集特征（圖2D, E），其熱力圖數據進一步呈現了組間特異的聚集模式（圖2F, G）。這些結果凸顯了精氨酸和脯氨酸代謝通路在相關生物過程中的潛在核心作用。鑒于觀察到的顯著代謝變化，研究團隊進一步分析了TF、PR和HC組的蛋白質表達（采用4D-DIA蛋白質組學技術），結果顯示肝臟轉移組織中蛋白質組發生深刻改變，與代謝組學的結果一致。這些結果突出了精氨酸和脯氨酸代謝的重大破壞，表明這一代謝途徑可能在AML的腫瘤進展中起著至關重要的作用。
圖2 腫瘤組織代謝重編程的多組學分析。(A)非靶向代謝組學與蛋白質組學工作流程示意圖。(B)富集分析展示空間代謝組學與非靶向代謝組學中顯著通路，附其KEGG通路二級分類總結。(C)基于非靶向代謝組學數據的主成分分析得分圖，對比健康對照組（HC）、腫瘤轉移組（TF）與轉移組（PR）的代謝特征。(D)維恩圖突出顯示空間代謝組學與非靶向代謝組學間共同顯著差異代謝物。(E)空間代謝組學與非靶向代謝組學重疊顯著差異代謝物的富集分析。（F，G）熱圖展示空間代謝組學(F)與非靶向代謝組學(G)的重疊代謝物分布模式。(I)對上文列出的下調（倍數變化<0.7；P值<0.05)和上調（倍數變化>1.5；P值<0.05)的重疊蛋白進行基因本體論（GO）生物過程分析。(J)前20個富集的KEGG通路的匯總，重點聚焦代謝相關通路。PR：腫瘤周圍區域；TF：腫瘤病灶；HC：健康對照組
本研究揭示急性髓系白血病（AML)小鼠肝轉移瘤（TF）病灶區呈現精氨酸與脯氨酸代謝通路的顯著重編程。質譜成像顯示TF內L-精氨酸與瓜氨酸富集（圖3B1, B6），但蛋白質組學分析發現精氨酸生物合成關鍵酶ASS1、ASL及傳統代謝途徑酶ARG1、OTC、Agmat表達均顯著降低（圖3C1-6）。代謝重塑表現為精氨酸代謝流向肌酸通路的關鍵轉捩——肌酸合成中間體胍基乙酸減少而終產物肌酸升高（圖3B2-3），且肌酸利用關鍵酶CKB在TF中表達上調（圖3C9）。同時，多胺合成通過替代路徑代償性激活：亞精胺在TF內異常積累（圖3B4），該過程由上調的SMS/SRM酶介導（圖3C10-11），并伴隨S-腺苷甲硫氨酸（SAM）空間分布增強（圖3B5）。此外，脯氨酸代謝發生重構：谷氨酰胺水平下降（圖3B7），GLUL（合成酶）表達下調而GLS（分解酶）表達上調（圖3C12-13），驅動谷氨酰胺流向脯氨酸合成；最終通過ALDH18A1/PYCR酶表達升高（圖3C15-18）導致L-脯氨酸在TF內特異性積累。該研究系統證實AML肝轉移瘤通過精氨酸向肌酸通路的轉捩、多胺合成的代償性激活及脯氨酸代謝重構實現了代謝適應性生存。
為驗證代謝重編程在急性髓系白血病（AML）發病機制中的作用。研究另采集了臨床樣本進行代謝組學和蛋白質組學驗證，實驗結果與小鼠模型高度一致。本研究從動物模型到原發性AML樣本對AML的代謝重編程進行了全面驗證，并強調了改變肌酸通路在AML病理生理學中的意義。
圖3 AML小鼠肝轉移灶中精氨酸與脯氨酸代謝重編程的可視化分析。A)空間代謝組學圖像結合蛋白質組學數據，突顯了精氨酸與脯氨酸代謝通路及其擴展代謝網絡中的關鍵代謝物與酶類。(B)（B1-B8）柱狀圖詳細展示了精氨酸與脯氨酸代謝通路中通過質譜檢測到的代謝物豐度 水平。(C)（C1-C18）柱狀圖展示了精氨酸與脯氨酸代謝通路中關鍵酶類的蛋白質豐度。
腫瘤微環境中細胞互作依賴肌酸的局部生物合成與轉運，據此推測急性髓系白血病（AML）細胞的肌酸蓄積存在雙路徑：①通過GATM/GAMT酶從精氨酸-甘氨酸合成；②經肌酸轉運體Slc6a8外排（圖4A）。ELISA檢測證實AML小鼠血漿肌酸水平顯著高于健康對照組（圖5B），且腫瘤病灶（TF）組織內肌酸同步升高（圖4C），此現象與既往報道的CKB致癌作用及本研究發現的CKB在TF中RNA/蛋白水平上調一致（圖4D-E,G）。機制研究揭示：盡管腫瘤細胞內源性精氨酸合成抑制，但精氨酸轉運體SLC7A1在TF中表達上調，保障了精氨酸供給；同時肌酸合成底物甘氨酸的轉運體Slc6a9亦呈現上升趨勢。關鍵合成酶GATM/GAMT在TF的蛋白水平均升高，其中GATM的RNA表達顯著增加（圖4F,H）；而肌酸轉運體Slc6a8在RNA及蛋白層面均持續上調（圖4F,I）。上述結果綜合表明，AML細胞通過協同激活肌酸雙路徑（合成酶上調+轉運體增強） 重塑能量代謝網絡，為靶向干預提供新方向。
圖4 通過生物合成與轉運機制增強AML小鼠肝轉移中肌酸代謝通路。(A)AML細胞通過兩種途徑積累肌酸：一是通過Gatm和Gamt酶從精氨酸和甘氨酸合成，二是經肌酸轉運體Slc6a8轉運。（B，C）采用ELISA法檢測AML小鼠與健康小鼠血漿(B)及肝轉移灶(C)中的肌酸濃度。（D，E）通過ELISA法測定AML小鼠與健康小鼠血漿(D)及肝轉移灶(E)中的肌酸激酶B（Ckb）水平。(F)免疫組化分析比較腫瘤病灶與周圍區域的Gatm、Gamt和Slc6a8表達差異。（G-I）采用qRT-PCR檢測AML小鼠肝轉移灶與健康小鼠中Ckb (G)、Gatm (H)及Slc6a8 (I)的相對mRNA表達量。
本研究通過體外實驗證實，多種AML細胞系（M4亞型C1498、MV4-11及M5亞型MOLM-13、THP-1）的增殖具有肌酸依賴性：添加5 mmol/L肌酸可促進細胞增殖（如C1498在12小時、MOLM-13在48小時增殖率上升），而Slc6a8轉運蛋白抑制劑ompenaclid（10 mmol/L）通過阻斷肌酸攝取降低細胞內磷酸肌酸/ATP水平，顯著抑制增殖（如THP-1在24小時持續抑制，C1498在48小時明顯下降），且不同亞型細胞響應時間存在差異（圖6A-D）。在AML小鼠模型（C1498-Luc/GFP）中，補充肌酸顯著增加肝轉移灶（IVIS成像，圖6E/F），而ompenaclid治療組轉移灶輕微減少且無毒性副作用（體重、體溫、血液指標正常），表明肌酸直接驅動腫瘤浸潤。進一步的能量代謝分析揭示肌酸通過雙重路徑重編程代謝：在THP-1細胞中，肌酸增強氧化磷酸，具體表現為ATP生成量、最大呼吸速率、基礎呼吸速率及備用呼吸能力的增強。同時肌酸通過代償性糖酵解上調ECAR，而ompenaclid則抑制這些指標（圖7A/C/E/G）。在C1498細胞中，肌酸特異性激活氧化磷酸化（圖7B/D），而ompenaclid下調糖酵解（圖7F/H）。這些結果系統闡明：肌酸-Slc6a8軸通過協同提升OXPHOS和糖酵解，驅動白血病細胞增殖、轉移及代謝適應性。靶向該通路可有效抑制腫瘤進展，具有重要治療潛力。
本研究研究揭示了急性髓系白血病（AML）小鼠肝轉移灶中關鍵的代謝重編程機制，重點聚焦肌酸代謝通路。這些改變不僅支持轉移性白血病細胞的增殖，更為創新治療方案提供了新思路。通過抑制肌酸轉運蛋白Slc6a8，可破壞白血病細胞的能量穩態，從而顯著抑制其轉移擴散。這一突破性發現為AML輔助治療開辟了新方向，有望通過引入新型代謝通路實現精準干預。本研究不僅驗證了AFADESI技術在腫瘤微環境研究中的高通量、空間分辨能力，也為AML代謝靶向策略提供了新思路。
中國農業科學院棉花研究所棉花生物育種與綜合利用國家重點實驗室李付廣團隊在《Nature Communications》上發表了一篇題為“Spatiotemporal transcriptome and metabolome landscapes of cotton somatic embryos”的研究文章。通過整合AFADESI空間代謝組學和單細胞RNA測序（scRNA-seq）、空間轉錄組學（ST）首次系統分析了棉花體細胞胚胎發生過程中關鍵基因的空間分布特征及代謝物的表達模式，并構建棉花體細胞胚胎發生過程基因數據庫，為解決棉花體外再生技術難題提供了高效解決方案，助力深入解析植物發育分子機制的深度解析。（文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-55870-6）
棉花作為全球核心經濟作物，其遺傳改良受制于復雜耗時且基因型依賴的體細胞胚胎發生（SE）過程，然而當前棉花SE效率低下，核心瓶頸在于缺乏關于體細胞胚胎發生過程中基因表達模式重編程的精確細胞層面信息，而傳統轉錄組技術（RNA-seq）因無法解析單細胞異質性及空間分辨率受限難以突破此困境；為此本研究采用多組學協同策略，通過單細胞RNA測序（scRNA-seq）繪制愈傷組織、球狀胚、魚雷胚和子葉胚四階段轉錄圖譜，同時采用AFADESI技術進行空間代謝組學研究，整合空間轉錄組（ST）與空間代謝組（SM）實現關鍵基因與代謝物的原位共定位，并基于跨組學關聯構建基因-代謝物調控網絡，揭示SE不同階段的特異變化，為棉花遺傳轉化效率優化提供全新視角。
本研究采用多組學整合策略解析棉花體細胞胚胎發育機制，選取非胚性愈傷組織(NEC)、胚性愈傷組織(EC)、球形胚(GE)、魚雷胚(TE)和子葉胚(CE)五個關鍵發育階段樣本。樣本經OCT包埋冷凍切片，采用AFADESI-MSI技術進行空間代謝組(SM)分析，基于10x GenomicsVisium平臺，通過組織透化、mRNA捕獲及Illumina測序實現空間基因表達譜解析，完成空間轉錄組（ST）分析。同時，制備酶解原生質體懸液，使用10xChromium單細胞3’試劑盒進行單細胞轉錄組(scRNA-seq)文庫構建和測序。驗證體系包含利用CRISPR/Cas9技術對關鍵基因(AATP1、DOX2)進行敲除或過表達、采用LC-MS/MS靶向定量關鍵代謝物以及應用原位雜交(ISH)技術空間定位基因表達。數據分析方面，scRNA-seq數據使用Seurat包進行UMAP降維聚類與差異表達基因篩選，SM數據基于OPLS-DA模型鑒定差異代謝物，并整合ST、scRNA-seq和SM數據構建基因-代謝物關聯網絡。最終，所有整合數據存儲于支持多維查詢與分析的交互式數據庫(https://cotton.cricas.com.cn/somaticembryo/)。
本研究基于空間轉錄組（ST）技術，系統解析了棉花體細胞胚胎發育過程中基因的空間表達模式（圖1a-c）。研究選取球狀胚、魚雷胚和子葉胚三種胚胎組織進行切片處理，并通過空間位點識別技術，成功鑒定出801~1217個高質量位點。平均每個位點檢測6287~8001個表達基因。進一步，利用均勻流形近似與投影（UMAP）方法，將檢測到的基因劃分為13個細胞簇，并將其映射回原始組織切片位置（圖1d-e）。此外，研究還繪制了各細胞簇中高表達基因的點圖（圖1f）；圖中顯示的簇特異性高表達基因，提示其可能參與調控特定細胞簇的發育功能。最后，研究人員在13個細胞簇中鑒定了差異表達基因（DEGs），并進行了GO富集分析。結果顯示，與“胚胎后發育調控”相關的基因在子葉細胞（簇9）中顯著富集，而與“生物脅迫防御響應”相關的基因則主要在皮質細胞（簇 11）中高表達。這些發現表明，差異表達基因可能在體細胞胚胎發生（SE）的不同階段發揮著特定的生理功能力。
圖1 棉花體細胞胚胎發生三個階段的空間分析。a-c為棉球形胚、魚雷胚和子葉胚經蘇木精-伊紅（H&E）染色的切片。d UMAP可視化顯示體細胞胚胎細胞，每個數字代表不同細胞類型，各色標記對應不同細胞類型。e圖(d)中的所有聚類均被映射到其空間位置，其中13個聚類分別位于不同的組織區域。f點圖展示了各細胞聚類中代表性標志基因的表達情況。
研究人員利用ST分析了棉花下胚軸誘導產生的愈傷組織，得到了六個細胞簇（圖2a）。通過對愈傷組織中細胞簇的分析，發現與維管組織標記基因 aintegumenta（ANT）同源的基因（Gh_A11G229400）和與干細胞形成相關基因 wuschel-related homeobox13（WOX13）同源的基因（Gh_A02G209400）在簇1中表達，表明簇1包含來自外植體的維管組織細胞和愈傷組織創始細胞。同樣，通過與已鑒定的愈傷組織細胞類型的比較，確定簇1為“外植體維管組織和愈傷組織創始細胞_1”。此外，還對其他細胞簇中的標記基因進行了分析和鑒定，并對差異表達基因（DEGs）進行了GO分析，發現“外植體維管組織和愈傷組織創始細胞_3”和“愈傷組織細胞內層_5”（簇3和5）中的大多數DEGs主要參與對缺氧的響應和防御反應。
圖2 非胚胎性愈傷組織的空間分析。aUMAP可視化愈傷細胞分布圖。b HSC80.5、LTPG1.4、AOP1.23、PR-1.2、STH-2和PER42.1標記基因在callus_1和callus_2中的空間表達位置圖。c細胞簇中標記基因表達的散點圖，圓點大小代表該基因在細胞簇中的表達比例。
為解析棉花體細胞胚胎發育過程中基因表達與組織分化的關聯機制，研究者對球狀胚、魚雷胚及子葉胚三類樣本進行了九組空間切片分析，通過Pearson相關性評估揭示了發育階段間的遺傳調控網絡特征。在空間維度上對不同細胞簇差異表達基因（DEG）進行功能注釋發現：空間定位1號區域中，維管組織標記基因WOX13的同源轉錄本在非胚胎形成愈傷細胞簇（簇1）呈現顯著激活；而早期胚胎維管關鍵因子ATHB-8（Gh_D05G049400）與多能性獲得核心調控基因BBM（Gh_D08G251600）的同源序列在球狀胚細胞簇（簇1）中同步高表達。空間定位2號區域分析表明，表皮發育調控因子PDF1（Gh_D04G040400）及其胚胎命運決定基因WOX9的同源序列在胚胎前體細胞群中均表現出特異性轉錄激活。這些空間表達模式印證了特定細胞簇通過差異基因表達驅動胚胎發育階段特化的生理功能分化。（圖示見補充圖3-11）
通過單細胞轉錄組測序技術對棉花體細胞胚胎發育過程進行解析，研究人員在球形胚、魚雷胚和子葉胚階段分別獲得8842、9031和9037個高質量單細胞，平均檢測基因數達1992-2339個。UMAP降維分析將細胞劃分為11個功能簇，其中簇2通過MPK3同源基因Gh_A05G087300的高表達被鑒定為表皮細胞亞群，該基因在擬南芥中已知參與表皮分化與胚胎發育調控。空間轉錄組與單細胞數據的強相關性驗證了分析可靠性，如簇3中生長素響應基因AUX22和簇5中葉肉特征基因CYP87A3的共定位表達，揭示了不同細胞類型在胚胎發育中的功能特化。這種多組學整合策略為解析棉花體細胞胚發育的分子機制提供了單細胞分辨率的關鍵證據。
圖3 棉花體細胞胚發育的單細胞分析，a球狀胚、魚尾胚和子葉胚中單細胞的減少與聚類分析。b點圖展示了代表性標記物的表達情況。每個細胞簇中的基因。c不同細胞簇中代表性標記基因的表達情況。
為解析棉花體細胞胚胎發育的細胞分化路徑，研究團隊采用擬時序分析技術重構了不同類型細胞的發育軌跡（圖4a）?。結果顯示，不同細胞簇在擬時序軌跡的分支節點呈現明確的空間分離特征（圖4b）?，且在發育時間軸上表現出三類顯著的基因表達模式（圖4c）?。值得注意的是，受精當天特異性激活的33個標志基因被成功鑒定，包括木葡聚糖內轉糖基化酶及乙烯合成關鍵酶ACC合酶等調控因子（圖4）?。進一步的基因功能分析揭示：相較于受精前一日，受精當日上調的差異表達蛋白在?蛋白質翻譯過程?（GO:0006412）及?核糖體小亞基組裝?（GO:0000028）等生物學功能中顯著富集?。同時，研究還挖掘出參與纖維細胞早期發育的核心基因群，如調控鞘脂代謝的GhKSR1（通過影響超長鏈脂肪酸合成促進纖維伸長）?，以及晝夜節律調控因子GhTCP14（通過協調線粒體代謝與蛋白翻譯活動驅動纖維生長）?。這些發現為解析棉花胚胎發育與纖維形成的分子網絡提供了關鍵靶點?。
圖4 對受精前1.5天到受精后1天的所有棉花胚珠樣品進行擬時序分析。a細胞簇在胚胎發育三個階段的分布情況，基 于偽時間軌跡呈現。b假時間軌跡按細胞簇顏色進行區分標記基因在偽時間上的表達動態與聚類分析。
胚胎發生的初始階段在非胚性愈傷組織細胞向胚性細胞轉化過程中發揮決定性作用，ST數據揭示了多個高度表達基因與特定細胞簇相關聯，包括“非胚性愈傷組織”（第13組）、“前胚性細胞”（第6組）和“球形胚胎cell_10”（第10組），這些基因簇為細胞命運轉換提供了分子基礎?。原位雜交(ISH)分析顯示，ABC轉運蛋白G家族成員11(ABCG11)在球形和魚雷胚胎的內皮層中呈現優勢表達（圖5b-d），該基因在擬南芥中編碼表皮脂質轉運蛋白，表明其在植物胚胎脂質運輸和保護屏障形成中的保守功能?。胚胎表皮的建立與維持對胚胎正常發育至關重要，在高等植物中，芽器官的表皮直接源于胚胎表皮，提供抵御生物和非生物脅迫的保護機制，確保了發育過程中的結構完整性?。基于ST數據集，研究聚焦于“表皮細胞”（簇3）、“皮質細胞_1”（簇3）和“皮質細胞_12”（簇3）中表達的關鍵調控基因，以解析皮質層和表皮細胞發育的分子調控網絡。富含半胱氨酸的受體樣蛋白激酶29(CRK29)作為受體樣激酶家族成員，在棉花“表皮細胞”及早期球形與魚雷胚胎表皮中均表現出顯著表達，突出了其在表皮特異化中的潛在作用?。ISH結果進一步證實，Gh_A13G249900（AHP3同源基因）在球形胚胎皮層中表達，并在魚雷和子葉胚胎皮層中廣泛分布，同時LBD12主要在魚雷胚胎皮層富集，這些結果一致性地驗證了細胞簇分類的準確性和可靠性。
圖5 棉花中調節SE的特定基因的時空分析。a、e、i、m不同基因簇中ABCG11.16（Gh_D11G232500）、AHP3（Gh_A13G249900）、LBD12.3（Gh_A08G230200）和DOX2（Gh_A09G193100）標記基因表達的空間定位圖及小提琴圖譜。b、f、j、n為陰性原位雜交對照組.c、g、k、o為棉花體細胞胚胎中標記基因的ISH定位結果。d、h、l、p為所標示矩形切片的放大視圖。
研究人員通過空間轉錄組(ST)分析發現AAA-ATPase1(AATP1)在"球狀胚_10"（簇10）中特異性表達，DOX2在"前胚性細胞"（簇6）中顯著富集。為驗證其功能，構建了三個過表達(OE)系和三個CRISPR/Cas基因編輯系。結果顯示，OE系中AATP1和DOX2表達水平顯著增加，而CRISPR編輯系實現靶向敲低。表型分析發現，AATP1-CAS和DOX2-CAS愈傷組織在誘導30天后體積大于野生型(WT)，增殖速率更快；90天后呈現易碎胚性特征，分化率顯著提升，細胞呈原始圓形或橢圓形。相反，AATP1-OE和DOX2-OE愈傷組織增殖緩慢，體積顯著小于對照組，90天后硬化且無胚胎發生跡象，細胞伸長顯示非胚性狀態。這些結果表明AATP1和DOX2通過負向調控愈傷組織增殖與胚性細胞轉化，影響體細胞胚胎發生進程。AAA-ATP酶作為能量依賴的分子馬達，可能通過改變蛋白復合物構象參與細胞命運決定。
圖6 棉花愈傷組織發育的代表性標記基因的功能分析。a、b通過qRT-PCR檢測OE品系與對照材料中GhAATP1 (a)和GhDOX2(b)的相對基因表達量，以GhHIS作為內參基因。c AATP1-CAS、DOX2-CAS、對照組、AATP1過表達組和DOX2過表達組材料在初始愈傷組織誘導30天、60天及90天后，以及胚胎形成階段（EC/C）和胚胎期(E)的發育模式。比例尺=5毫米。d不同材料在初次誘導愈傷組織后30天的愈傷組織生長速率。
本研究整合OPLS-DA代謝譜型分析與AFADESI-MSI技術，系統揭示了棉花體細胞胚胎發育過程中74種差異代謝物（DPMs）在26條代謝通路內呈現組織特異性分布。子葉區域特異性富集L-精氨酸（C00062）、N-氨基甲酰腐胺（C00436）及吲哚-3-乙醛（C00637），驅動精氨酸-脯氨酸代謝通路主導胚胎器官建成。皮層區域顯著富集亞油酸（C00062）、(S)-β-氨基異丁酸（C03284）及D-蘋果酸（C00497），共同調控脂質代謝與微環境應激響應。維管組織特異性積累亞精胺（C00315）與異丁香酚（C10469），支撐多胺生物合成過程。跨組織代謝網絡分析進一步顯示，子葉區域的二氫玉米素（C02029）激活了玉米素/嘌呤代謝通路。該通路與皮層區域富集的L-天冬氨酸（C00049）、L-組氨酸（C00135）協同作用，共同調控組氨酸代謝通路。這些相互作用共同協調了棉花胚胎的器官發生程序。所有空間代謝圖譜結果均通過液相色譜-串聯質譜（LC-MS/MS）進行了平行驗證，確證了AFADESI-MSI技術在亞器官分辨率下，對包括脂質、TCA循環、氨基酸、核苷酸等在內的8大類代謝通路具有廣泛的覆蓋能力和可靠的定量性能。
整合空間代謝組（SM）與空間轉錄組（ST）數據聯合分析，研究發現多胺合成關鍵基因（SPDSYN1, SPMS）在球狀胚特異性高表達，其表達峰值與胚內精胺/亞精胺蓄積顯著正相關，標志二者為球狀胚發育特征代謝物。子葉胚中茉莉酸合成基因OPR11顯著激活，指示茉莉酸為子葉胚發育動態因子。KEGG通路解析表明，DOX2通過α-雙加氧酶活性催化α-亞麻酸（C06427）生成2(R)-HPOT，結合SM顯示魚雷胚期α-亞麻酸含量驟降，共同證實DOX2負調控α-亞麻酸合成以保障正常發育。跨平臺數據一致驗證多胺-茉莉酸代謝軸的階段特異性切換對棉花胚胎形態建成具決定性作用。
圖7 發育中棉花體細胞胚胎代謝物的空間分布分析.a選取正離子掃描模式下的部分代謝特征指數（MSIs），用于標記不同發育階段樣本的組織區域。這些代謝特征指數并不代表特定代謝物。b棉花體細胞胚胎代謝網絡。該代謝網絡基于與不同發育階段相關的動態代謝模塊（DPMs）構建而成。胚胎發育。數字代表KEGG注釋，顏色對應相關代謝通路。實線表示單步反應， 虛線表示兩步或更多步驟的反應。c 體細胞胚胎中L-精氨酸、二氫玉米素和玉米素的MSI。
本研究基于多時期采樣策略，結合空間轉錄組學、空間代謝組學和單細胞轉錄組學技術，系體闡明了棉花體細胞胚胎發育全周期中特定組織和細胞類型相關的轉錄組及代謝變化。研究鑒定了AATP1和DOX2等關鍵調控因子，并構建了可搜索的網絡資源數據庫（https://cotton.cricaas.com.cn/somaticembryo/），為棉花遺傳轉化和育種提供了重要參考。功能分析表明AATP1和DOX2在棉花體細胞胚胎發生過程中具有負調控作用，為深入理解棉花體細胞胚胎發生的分子機制提供了新視角。研究揭示了α-亞麻酸作為纖維伸長標志性代謝物的關鍵作用，同時發現α-酮戊二酸、L-天冬氨酸、脂肪酸代謝物、胺類物質、生長素及油菜素內酯類似物等多種代謝物在棉花纖維早期發育中的重要作用。
