细胞无时无刻不在进行着代谢活动，目前已经在人类以及其它物种中发现许多表型与代谢重编程相关，这些代谢重编程甚至可能进一步导致组织功能紊乱。
细胞代谢，与多种疾病的发生发展有着密切关系，尤其是肿瘤性疾病。
肿瘤包含着多种细胞类型，它们之间相互作用，形成一个独特的网络。在这个网络中，恶性细胞的生存遇到许多挑战，并相应地对它们的代谢特性进行重新编程。
比如在癌症中IDH1以及IDH2基因突变导致D-2-羟基戊二酸（D-2HG）代谢物增多，这种代谢物的增多进一步干扰了组蛋白以及DNA去甲基化，并影响下游基因的表达，参与到癌症的发生发展过程中。
与疾病相关的代谢紊乱可以是固定的(如种系突变)或可逆的(如营养缺乏、短暂性组织缺氧)，可能涉及特定细胞类型的简单缺陷或系统内稳态的复杂改变。
所以理解细胞内代谢过程以及阐明细胞如何响应外界刺激至关重要，且可以以此为基础，发现治疗疾病的新靶点并有利于研发新药。
目前，细胞代谢领域研究较多的方向为：葡萄糖代谢（主要以Warburg效应为主）、脂质代谢（脂肪酸、胆固醇代谢等）及氨基酸代谢（主要以谷氨酰胺代谢为主）。
而在国自然的申报中，主要以“代谢适应”或“代谢重编程”方面的研究为主。
代谢重编程，指的是细胞为对抗不同环境改变而增加/减弱的能量需求，而这种能量需求的改变需要改变代谢机制以达到增加/减弱（大部分为增加）合成反应抵御外界环境胁迫的目的。近年来，与代谢重编程相关的研究从最开始的肿瘤研究逐渐到其它疾病及生理过程中的新发现，越来越受到研究者们的青睐，并不断有高分成果涌现。并且近几年国家自然科学基金的资助项目中，代谢重编程相关项目的数量及占比增势显著，已成为生命科学及基础医学研究的重大热点方向之一。
——那么，如何研究细胞内代谢水平的改变以及在研究细胞代谢方面又有哪些进展呢？
首先，我们了解一下代谢类研究的检测手段：
（1）针对代谢物的检测：代谢组学、代谢物检测试剂盒；
（2）代谢酶检测：通过检测某一代谢途径的限速酶以确定是否对该代谢途径有影响。
其中，又以代谢组学检测为主。
代谢组学是20世纪90年代中期发展起来的一门新兴学科。
继基因组学、转录组学和蛋白质组学之后出现的代谢组学经过三十年的发展，目前已经在疾病早期诊断、风险预测、药物靶点发现、疾病机理研究等方面取得了许多重大进展。
代谢组学的研究对象——代谢物代表了整个动态系统中最下游的阶段（即代谢）,在DNA-RNA-蛋白-代谢物-表型框架内，因代谢物可在分子水平上进行动态测量，因此代谢组学成为病理生理过程相关生物标志物和疾病机制探索研究的有效手段。
此外，代谢物在机体的不同层面发挥调节作用。通过这种交互作用，代谢物可作为调节剂直接调控生理过程和表型。
（DOI: 10.1038/s41580-019-0108-4）过去十几年，研究人员围绕代谢物调控功能进行了大量研究，并取得了一些开创性成果，如葡萄糖、脂肪酸和其他脂质可作为胰岛素分泌和敏感性的调节器；NAD+促进去乙酰化酶活性抵抗衰老；乳酸调节神经兴奋性和可塑性；α-酮戊二酸调节巨噬细胞活化和免疫；富马酸、2-羟基戊二酸和琥珀酸等致癌代谢物的累积导致信号调节异常，形成致癌环境等。因此，代谢物对细胞生理状态影响很大，符合它们作为生物活性物质的重要角色。——2022年7月，美国Memorial Sloan Kettering癌症中心的Kayvan R. Keshari教授与得克萨斯大学西南医学中心的Ralph J. DeBerardinis教授联合在国际顶尖学术杂志Cell（IF=66.850）上发表了题为“Metabolic analysis as a driver for discovery, diagnosis, and therapy”的综述文章。
（DOI: 10.1016/j.cell.2022.06.029）该综述强调了代谢组学对疾病诊断和治疗的重要性，并指明了代谢研究的几个研究方向：（1）单细胞/空间代谢组学用于评估重要细胞亚群的代谢水平改变（2）通过CRISPR筛选/基因组学开发新的代谢调节机制（3）结合基因组学和代谢组学，研究代谢改变和疾病进展之间的关系（4）代谢成像
（1）单细胞/空间代谢组学用于评估重要细胞亚群的代谢水平改变毫无疑问，传统的、针对大规模组织进行的代谢组学分析为科学研究提供了关于疾病中代谢紊乱的丰富信息，但是随着单细胞技术的发展，了解复杂微环境中单个细胞代谢水平的改变对于理解疾病进展以及机制至关重要。
✔ 首先，同一组织内的不同细胞类型具有特殊的代谢特性。大脑中神经元和星形胶质细胞之间的代谢区隔就是这个的一个例子。
✔ 其次，细胞在微环境中的位置会影响它们的新陈代谢。例如靠近血液供应对肿瘤内癌细胞代谢的影响。
✔ 第三，一些微量但是重要的细胞，例如干细胞和祖细胞，被认为在代谢上与组织的其他部分不同，但几乎不可能从批量分析中推断出它们的代谢活动，需要在单细胞水平单独分析。
✔ 第四，即使在单个细胞内，新陈代谢也在细胞器和其他结构中被划分，以实现精确调节。
单细胞代谢组学
鉴于传统代谢组学方法需要105-106个细胞，因此对微量细胞群进行特征化的需求推动了代谢组学在小规模场合的发展。
代谢组学可以与灵敏的代谢通量测量相结合，包括利用超极化核磁共振（NMR）进行同位素示踪，加深了对代谢物周转定量速率的了解。最近的研究表明，可以使用同位素标记的方式，使用核磁共振技术分析低至9000个细胞的代谢流。除了直接的代谢物测量外，其他分析方法可以提供有关代谢网络的信息。
✔ 单细胞RNA测序可以确定复杂组织中代谢相关基因的水平。
✔ 蛋白质组学方法，如质谱流式细胞技术(CyTOF)，为研究免疫细胞群的代谢异质性提供了更丰富的认识。
✔ 使用图标荧光共振能量转移（FRET)传感器可以量化代谢产物，如氨基酸和氧化还原辅因子。结合活细胞成像一起，活细胞成像技术还能进一步探究代谢物在细胞中的作用网络以及获得代谢物对细胞影响的实时信息。
这些方法需要细胞工程，通常与高通量筛选不兼容。内源性代谢物的传统光学成像（如双光子显微镜）提供了一种“无问题”策略，可用于检测氧化还原辅因子，如烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD（H））和黄素腺嘌呤二核苷酸（FADH[H]）。
虽然上述方法还需要进一步发展，但将其与空间质谱成像(MSI)方法结合起来，可以有助于评估细胞中的实时代谢通路。
空间代谢组学
但是单细胞的代谢信息尚不能反映组织中的空间信息。在过去的10年中，已经开创了多种方法来满足这一需求。利用现代质谱系统提高灵敏度，许多成像方法已与光栅扫描串联并生成空间代谢组学数据。
基质辅助激光解吸电离(MALDI)已成为最广泛使用的空间质谱方法，可以扫描并收集厚度为5-10μm的样本并且重构样本的3D信息。
然而，50-100μm的空间分辨率对真正的单细胞分析来说仍然是有限的。
为了能够进一步获得细胞内亚结构的代谢物信息，研究人员发展了一种“pull-down”方式，能够获得细胞内的特定组分，比如MITO IP就可以富集细胞中的线粒体，并进一步分析线粒体中代谢物的改变，此外，该方法还被应用于溶酶体以及过氧化物酶体的分析中。
总之，这些方法可以探究离散细胞以及亚细胞结构中的代谢信息，突破了传统分析方式的不足，为理解细胞代谢提供了更有利的途径。
（2）基于基因或者小分子的筛选方法，开发新的代谢调节机制据报道，人类共有超过2000个与代谢相关的基因，这意味着全面分析需要高通量方法。基于CRISPR的筛选，已被用于识别许多代谢问题，有时可以解决细胞生物学中长期存在的难题。
除了使用shRNA以及sgRNA进行筛选以外，数百种针对代谢酶和营养转运蛋白的抑制剂作为工具化合物存在，或者在某些情况下，作为药物应用于临床领域。富含这些抑制剂的化学文库已被用于揭示代谢在阻断其他细胞反应中的意外作用。例如，这种化学筛选方法揭示了乳腺癌中谷胱甘肽损耗与去泛素酶抑制的协同作用。代谢物结合酶上的变构位点，是调节通路活性的常见机制。虽然已经知道许多这样的相互作用，但寻找代谢物-蛋白质相互作用的无偏向方法可以发现新的调节模式。这些基于基因或者小分子的筛选方法能够在没有先验知识的情况下发现细胞内新的调控机制，为理解细胞内的代谢过程提供了新方法。
（3）结合基因组学和代谢组学，研究代谢改变和疾病进展之间的关系
远交种群含有大量的代谢异质性，其中大部分是由遗传决定的，有些与疾病有关。识别导致代谢异质性并与疾病相关的基因一直是一件具有挑战的事情。
最近基因组学和代谢组学的分析进展，使得对代谢变异的遗传基础进行整体和综合评估成为可能。
由于近交系小鼠缺乏基因组和代谢异质性，研究人员将代表常用实验室小鼠遗传多样性的8个近交系交叉杂交，形成了多样性远交系(DO)种群。
DO小鼠个体之间有数百万个单核苷酸多态性的差异，使得利用遗传学来确定与代谢特征相关的变异成为可能。利用该方法，可以找到使胰岛素分泌有差异的基因。
类似的方法也被用于人类，即利用不同人群的自然变异，并将全基因组关联研究与代谢组学相结合。通过在人群中的基因分析结果显示，丢失PCSK9的人群中血浆中低密度脂蛋白的含量降低，并且可以预防冠心病，该发现直接推动了PCSK9为靶点的药物开发。此外，代谢组学越来越多地被用来表征罕见病表型，特别是随着全外显子组测序和全基因组测序（WES，WGS）已经可以在临床上用于诊断孟德尔疾病。
比如代谢组学表明，代谢物M1与M2在病人样本中高表达，基因组学表明编码E2蛋白酶的基因发生了突变，即可说明在病人样本中，E2突变导致代谢产物的积累进一步导致了疾病进展。
（4）代谢成像虽然代谢机制可以在实验模型中很容易地梳理出来，但大多数分析方法都具有破坏性或需要长时间的数据采集，限制了其在患者中的可行性。体内代谢成像提供了一种新手段，包括核医学和磁共振，可以帮助我们更好地了解人类生物学，有望解析人体内代谢流。放射性方法从历史上看，PET一直是探索人类新陈代谢的标准。从最广泛使用的示踪剂18F-氟脱氧葡萄糖（FDG）开始，PET扫描就被用来推断糖代谢的变化，特别是在肿瘤学和心脏病学中。虽然PET扫描的放射性剂量相当低，但它限制了特定患者，尤其是儿童的PET扫描数量。最近的研究开发了全身PET扫描仪，可提高灵敏度，并将放射性剂量降低10倍。此外，随着全身信号的时变和灵敏度的提高。同位素法然而，放射性方法虽然极其敏感，但却不能识别特定的代谢物。这可以通过使用同位素来解决，放射性核素位于分子内的不同位置，以追踪代谢活动。同位素选择性体内PET成像作为揭示差异代谢的一种手段。到目前为止，在利用同位素示踪剂对代谢活动进行原位成像领域最令人兴奋的进展是超极化磁共振成像的发展。最新研究表明，这种方法可以用于追踪多种底物的代谢转化，包括葡萄糖、果糖、谷氨酰胺，以及肿瘤代谢中最重要的丙酮酸。总之，这些快速发展的磁共振方法正接近黄金时期。在过去10年中，这些技术的真正突破为研究疾病的代谢维度提供了新的机会。——上述技术和概念进步对代谢和疾病之间的联系带来了新的见解。综上所述，无论是否是代谢领域，目前的研究有两种趋势，要么往细了做，比如利用新技术研究单细胞甚至亚细胞结构，要么基于大样本进行筛选，两者的用意最终都是希望发现新靶点，用于疾病的治疗。
参考文献
【1】DOI: 10.1016/j.cell.2022.06.029
【2】DOI: 10.1038/s41580-019-0108-4
细胞代谢，与多种疾病的发生发展有着密切关系，尤其是肿瘤性疾病。
肿瘤包含着多种细胞类型，它们之间相互作用，形成一个独特的网络。在这个网络中，恶性细胞的生存遇到许多挑战，并相应地对它们的代谢特性进行重新编程。
比如在癌症中IDH1以及IDH2基因突变导致D-2-羟基戊二酸（D-2HG）代谢物增多，这种代谢物的增多进一步干扰了组蛋白以及DNA去甲基化，并影响下游基因的表达，参与到癌症的发生发展过程中。
与疾病相关的代谢紊乱可以是固定的(如种系突变)或可逆的(如营养缺乏、短暂性组织缺氧)，可能涉及特定细胞类型的简单缺陷或系统内稳态的复杂改变。
所以理解细胞内代谢过程以及阐明细胞如何响应外界刺激至关重要，且可以以此为基础，发现治疗疾病的新靶点并有利于研发新药。
目前，细胞代谢领域研究较多的方向为：葡萄糖代谢（主要以Warburg效应为主）、脂质代谢（脂肪酸、胆固醇代谢等）及氨基酸代谢（主要以谷氨酰胺代谢为主）。
而在国自然的申报中，主要以“代谢适应”或“代谢重编程”方面的研究为主。
代谢重编程，指的是细胞为对抗不同环境改变而增加/减弱的能量需求，而这种能量需求的改变需要改变代谢机制以达到增加/减弱（大部分为增加）合成反应抵御外界环境胁迫的目的。近年来，与代谢重编程相关的研究从最开始的肿瘤研究逐渐到其它疾病及生理过程中的新发现，越来越受到研究者们的青睐，并不断有高分成果涌现。并且近几年国家自然科学基金的资助项目中，代谢重编程相关项目的数量及占比增势显著，已成为生命科学及基础医学研究的重大热点方向之一。
——那么，如何研究细胞内代谢水平的改变以及在研究细胞代谢方面又有哪些进展呢？
首先，我们了解一下代谢类研究的检测手段：
（1）针对代谢物的检测：代谢组学、代谢物检测试剂盒；
（2）代谢酶检测：通过检测某一代谢途径的限速酶以确定是否对该代谢途径有影响。
其中，又以代谢组学检测为主。
代谢组学是20世纪90年代中期发展起来的一门新兴学科。
继基因组学、转录组学和蛋白质组学之后出现的代谢组学经过三十年的发展，目前已经在疾病早期诊断、风险预测、药物靶点发现、疾病机理研究等方面取得了许多重大进展。
代谢组学的研究对象——代谢物代表了整个动态系统中最下游的阶段（即代谢）,在DNA-RNA-蛋白-代谢物-表型框架内，因代谢物可在分子水平上进行动态测量，因此代谢组学成为病理生理过程相关生物标志物和疾病机制探索研究的有效手段。
此外，代谢物在机体的不同层面发挥调节作用。通过这种交互作用，代谢物可作为调节剂直接调控生理过程和表型。
（DOI: 10.1038/s41580-019-0108-4）过去十几年，研究人员围绕代谢物调控功能进行了大量研究，并取得了一些开创性成果，如葡萄糖、脂肪酸和其他脂质可作为胰岛素分泌和敏感性的调节器；NAD+促进去乙酰化酶活性抵抗衰老；乳酸调节神经兴奋性和可塑性；α-酮戊二酸调节巨噬细胞活化和免疫；富马酸、2-羟基戊二酸和琥珀酸等致癌代谢物的累积导致信号调节异常，形成致癌环境等。因此，代谢物对细胞生理状态影响很大，符合它们作为生物活性物质的重要角色。——2022年7月，美国Memorial Sloan Kettering癌症中心的Kayvan R. Keshari教授与得克萨斯大学西南医学中心的Ralph J. DeBerardinis教授联合在国际顶尖学术杂志Cell（IF=66.850）上发表了题为“Metabolic analysis as a driver for discovery, diagnosis, and therapy”的综述文章。
（DOI: 10.1016/j.cell.2022.06.029）该综述强调了代谢组学对疾病诊断和治疗的重要性，并指明了代谢研究的几个研究方向：（1）单细胞/空间代谢组学用于评估重要细胞亚群的代谢水平改变（2）通过CRISPR筛选/基因组学开发新的代谢调节机制（3）结合基因组学和代谢组学，研究代谢改变和疾病进展之间的关系（4）代谢成像
（1）单细胞/空间代谢组学用于评估重要细胞亚群的代谢水平改变毫无疑问，传统的、针对大规模组织进行的代谢组学分析为科学研究提供了关于疾病中代谢紊乱的丰富信息，但是随着单细胞技术的发展，了解复杂微环境中单个细胞代谢水平的改变对于理解疾病进展以及机制至关重要。
✔ 首先，同一组织内的不同细胞类型具有特殊的代谢特性。大脑中神经元和星形胶质细胞之间的代谢区隔就是这个的一个例子。
✔ 其次，细胞在微环境中的位置会影响它们的新陈代谢。例如靠近血液供应对肿瘤内癌细胞代谢的影响。
✔ 第三，一些微量但是重要的细胞，例如干细胞和祖细胞，被认为在代谢上与组织的其他部分不同，但几乎不可能从批量分析中推断出它们的代谢活动，需要在单细胞水平单独分析。
✔ 第四，即使在单个细胞内，新陈代谢也在细胞器和其他结构中被划分，以实现精确调节。
单细胞代谢组学
鉴于传统代谢组学方法需要105-106个细胞，因此对微量细胞群进行特征化的需求推动了代谢组学在小规模场合的发展。
代谢组学可以与灵敏的代谢通量测量相结合，包括利用超极化核磁共振（NMR）进行同位素示踪，加深了对代谢物周转定量速率的了解。最近的研究表明，可以使用同位素标记的方式，使用核磁共振技术分析低至9000个细胞的代谢流。除了直接的代谢物测量外，其他分析方法可以提供有关代谢网络的信息。
✔ 单细胞RNA测序可以确定复杂组织中代谢相关基因的水平。
✔ 蛋白质组学方法，如质谱流式细胞技术(CyTOF)，为研究免疫细胞群的代谢异质性提供了更丰富的认识。
✔ 使用图标荧光共振能量转移（FRET)传感器可以量化代谢产物，如氨基酸和氧化还原辅因子。结合活细胞成像一起，活细胞成像技术还能进一步探究代谢物在细胞中的作用网络以及获得代谢物对细胞影响的实时信息。
这些方法需要细胞工程，通常与高通量筛选不兼容。内源性代谢物的传统光学成像（如双光子显微镜）提供了一种“无问题”策略，可用于检测氧化还原辅因子，如烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD（H））和黄素腺嘌呤二核苷酸（FADH[H]）。
虽然上述方法还需要进一步发展，但将其与空间质谱成像(MSI)方法结合起来，可以有助于评估细胞中的实时代谢通路。
空间代谢组学
但是单细胞的代谢信息尚不能反映组织中的空间信息。在过去的10年中，已经开创了多种方法来满足这一需求。利用现代质谱系统提高灵敏度，许多成像方法已与光栅扫描串联并生成空间代谢组学数据。
基质辅助激光解吸电离(MALDI)已成为最广泛使用的空间质谱方法，可以扫描并收集厚度为5-10μm的样本并且重构样本的3D信息。
然而，50-100μm的空间分辨率对真正的单细胞分析来说仍然是有限的。
为了能够进一步获得细胞内亚结构的代谢物信息，研究人员发展了一种“pull-down”方式，能够获得细胞内的特定组分，比如MITO IP就可以富集细胞中的线粒体，并进一步分析线粒体中代谢物的改变，此外，该方法还被应用于溶酶体以及过氧化物酶体的分析中。
总之，这些方法可以探究离散细胞以及亚细胞结构中的代谢信息，突破了传统分析方式的不足，为理解细胞代谢提供了更有利的途径。
（2）基于基因或者小分子的筛选方法，开发新的代谢调节机制据报道，人类共有超过2000个与代谢相关的基因，这意味着全面分析需要高通量方法。基于CRISPR的筛选，已被用于识别许多代谢问题，有时可以解决细胞生物学中长期存在的难题。
除了使用shRNA以及sgRNA进行筛选以外，数百种针对代谢酶和营养转运蛋白的抑制剂作为工具化合物存在，或者在某些情况下，作为药物应用于临床领域。富含这些抑制剂的化学文库已被用于揭示代谢在阻断其他细胞反应中的意外作用。例如，这种化学筛选方法揭示了乳腺癌中谷胱甘肽损耗与去泛素酶抑制的协同作用。代谢物结合酶上的变构位点，是调节通路活性的常见机制。虽然已经知道许多这样的相互作用，但寻找代谢物-蛋白质相互作用的无偏向方法可以发现新的调节模式。这些基于基因或者小分子的筛选方法能够在没有先验知识的情况下发现细胞内新的调控机制，为理解细胞内的代谢过程提供了新方法。
（3）结合基因组学和代谢组学，研究代谢改变和疾病进展之间的关系
远交种群含有大量的代谢异质性，其中大部分是由遗传决定的，有些与疾病有关。识别导致代谢异质性并与疾病相关的基因一直是一件具有挑战的事情。
最近基因组学和代谢组学的分析进展，使得对代谢变异的遗传基础进行整体和综合评估成为可能。
由于近交系小鼠缺乏基因组和代谢异质性，研究人员将代表常用实验室小鼠遗传多样性的8个近交系交叉杂交，形成了多样性远交系(DO)种群。
DO小鼠个体之间有数百万个单核苷酸多态性的差异，使得利用遗传学来确定与代谢特征相关的变异成为可能。利用该方法，可以找到使胰岛素分泌有差异的基因。
类似的方法也被用于人类，即利用不同人群的自然变异，并将全基因组关联研究与代谢组学相结合。通过在人群中的基因分析结果显示，丢失PCSK9的人群中血浆中低密度脂蛋白的含量降低，并且可以预防冠心病，该发现直接推动了PCSK9为靶点的药物开发。此外，代谢组学越来越多地被用来表征罕见病表型，特别是随着全外显子组测序和全基因组测序（WES，WGS）已经可以在临床上用于诊断孟德尔疾病。
比如代谢组学表明，代谢物M1与M2在病人样本中高表达，基因组学表明编码E2蛋白酶的基因发生了突变，即可说明在病人样本中，E2突变导致代谢产物的积累进一步导致了疾病进展。
（4）代谢成像虽然代谢机制可以在实验模型中很容易地梳理出来，但大多数分析方法都具有破坏性或需要长时间的数据采集，限制了其在患者中的可行性。体内代谢成像提供了一种新手段，包括核医学和磁共振，可以帮助我们更好地了解人类生物学，有望解析人体内代谢流。放射性方法从历史上看，PET一直是探索人类新陈代谢的标准。从最广泛使用的示踪剂18F-氟脱氧葡萄糖（FDG）开始，PET扫描就被用来推断糖代谢的变化，特别是在肿瘤学和心脏病学中。虽然PET扫描的放射性剂量相当低，但它限制了特定患者，尤其是儿童的PET扫描数量。最近的研究开发了全身PET扫描仪，可提高灵敏度，并将放射性剂量降低10倍。此外，随着全身信号的时变和灵敏度的提高。同位素法然而，放射性方法虽然极其敏感，但却不能识别特定的代谢物。这可以通过使用同位素来解决，放射性核素位于分子内的不同位置，以追踪代谢活动。同位素选择性体内PET成像作为揭示差异代谢的一种手段。到目前为止，在利用同位素示踪剂对代谢活动进行原位成像领域最令人兴奋的进展是超极化磁共振成像的发展。最新研究表明，这种方法可以用于追踪多种底物的代谢转化，包括葡萄糖、果糖、谷氨酰胺，以及肿瘤代谢中最重要的丙酮酸。总之，这些快速发展的磁共振方法正接近黄金时期。在过去10年中，这些技术的真正突破为研究疾病的代谢维度提供了新的机会。——上述技术和概念进步对代谢和疾病之间的联系带来了新的见解。综上所述，无论是否是代谢领域，目前的研究有两种趋势，要么往细了做，比如利用新技术研究单细胞甚至亚细胞结构，要么基于大样本进行筛选，两者的用意最终都是希望发现新靶点，用于疾病的治疗。
参考文献
【1】DOI: 10.1016/j.cell.2022.06.029
【2】DOI: 10.1038/s41580-019-0108-4
