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代谢扩展生物的“旁中心法则”——对理解基因-糖-代谢-表观基因互作的意义

Albert Stuart Reece

《工程(英文)》 2023年 第26卷 第7期   页码 16-16 doi: 10.1016/j.eng.2022.07.011

摘要:

The central dogma of biology holds that the transcription of DNA into RNA and the translation of RNA into proteins forms the primary axis of biological activity [1]. Following major advances in the description of the complex glycan and lipid chains that are added onto these basic building blocks, the glycome and lipidome have recently been added to this doctrine as an exciting new extension named the ‘‘paracentral dogma” [2]. However, it has been pointed out that biological systems can include many layers, which are described in modern omics technology platforms relating to both cell-intrinsic and cell-extrinsic layers of control, including metabolomic, microbiomic, immunological, epigenomic, epitranscriptomic, proteomic and phosphoproteomic layers [3].

It is well known that stem and progenitor cells have a metabolism that is based on glycolysis and glutaminolysis [4]. Although this provides less energy to the cell than oxidative phosphorylation, it suffices for these cells’ needs, since such cells are generally relatively quiescent and normally suppress energy-intensive processes such as genome duplication and transcription. Moreover, it has been shown that the high intracellular lactate levels involved in such states not only inhibits the key gatekeeper enzymes of oxidative phosphorylation (i.e., pyruvate dehydrogenase and carnitine palmitoyl acyltransferase) but also actually covalently modifies them by lactylation in order to maintain this inhibited metabolic–epigenomic state [5]. In addition, intermediate metabolism and nutrients are the source of the very extensive library of post-translational modifications to DNA, RNA, and proteins, as well as supplying cellular energy for many of the required reactions. Hence, the metabolic state locks in and reinforces the epigenomic state, and the metabolome and epigenome thereby play mutually reinforcing roles. This self-reinforcing coordination explains why it is so difficult to generate induced pluripotent cells and is a contributory explanation for why the described protocols typically have such low cellular yields. 

These concepts become even more important when it is considered that cancer cells are de-differentiated, similarly rely on glycolysis and glutaminolysis, and are similarly metabolically–epigenomically–genomically synchronized. The disruption of this metabolic system is a key focus of mechanistic cancer research.

These important considerations imply that the descriptive and predictive power of the newly described ‘‘paracentral dogma” of biology may be usefully and meaningfully extended by including the metabolome, along with the genome, transcriptome, proteome, glycome, and lipidome, to describe cell-intrinsic regulation—not only in terms of another omics analytical layer but also as a fully predictive and interactive partner in the symphonic-like multilayer coordination that evidently comprises cellular regulatory layering.

中医方证代谢——中药效应评价的有效途径 Review

张爱华, 孙晖, 闫广利, 韩莹, 赵琦琦, 王喜军

《工程(英文)》 2019年 第5卷 第1期   页码 60-68 doi: 10.1016/j.eng.2018.11.008

摘要:

有效性评价是发现中药药效物质基础、先导化合物和质量标志物的重要前提,因此急需建立一种生物语言,将中药有效性科学地表达出来,进一步凸显中医药的实用价值。我们以证候和方剂为研究对象,建立了科学评价中药有效性的创新方法学体系——中医方证代谢。它将中药血清药物化学理论与代谢技术有机整合,在解决证候生物标记物的基础上,建立方剂药效生物评价体系,发现并确认中药药效物质基础。该策略为提高中医理论和临床实践的科学价值提供了有力支持。本文概述了中医方证代谢的研究策略,利用该方法揭示临床常见中医证候生物标记物及开展相关方剂的有效性评价研究,着重阐述了中药药效物质基础及质量标记物的发现。

关键词: 中医方证代谢     中药血清药物化学     有效性     代谢     证候     生物标记物     质量标记物    

功能代谢揭示黄芪多糖通过2-羟基丁酸改善肥胖小鼠的脂质代谢 Article

李冰冰, 洪颖, 顾彧, 叶圣洁, 胡凯莉, 姚建, 丁侃, 赵爱华, 贾伟, 李后开

《工程(英文)》 2022年 第9卷 第2期   页码 111-122 doi: 10.1016/j.eng.2020.05.023

摘要: 功能代谢越来越多地被用于通过鉴定具有特定功能的代谢产物来研究多糖对宿主的系统性影响。本研究采用功能代谢策略,探讨黄芪多糖(Astragalus polysaccharide, APS)代谢获益的潜在机制。- 串联质谱(liquid chromatography-tandem mass spectrometry, LC-MS/MS)的靶向代谢学分析。然后,代谢学分析显示,补充APS 可逆转HFD 诱导的代谢变化,并确定2-羟基丁酸(2-hydroxybutyric acid, 2-HB)是APS活性的潜在功能性代谢产物,该代谢物被HFD显著降低,我们的结果同样证实,功能代谢在研究植物多糖系统益处的潜在机制方面是切实可行的。

关键词: 黄芪多糖     功能代谢     2-羟基丁酸     肥胖    

肝脏移植术后糖尿病患者肠道微生物的变化 Article

凌琪, 韩玉秋, 马越, 王晓森, 朱铮, 王靖宇, 曹佳莹, 林笑含, 王军, 王保红

《工程(英文)》 2023年 第31卷 第12期   页码 98-111 doi: 10.1016/j.eng.2023.09.006

摘要: 因此,本研究通过高通量鸟枪法宏基因测序和代谢学分析相结合的方法,对PTDM和非PTDM的肝脏移植受者队列中的肠道微生物(IM)进行了表征,并破译了IM、TAC剂量和PTDM之间的潜在关联。通过与非 PTDM 和经典II型糖尿病(T2DM)进行对比分析,确定了PTDM患者的肠道微生物代表性特征为:变形菌门富集和拟杆菌门减少。有趣的是,与改变的微生物代谢产物相一致,这些微生物在PTDM患者中的丰都变化与TAC的剂量显著关联。α-亚麻酸和花生四烯酸-这些降低糖尿病发生的有益代谢物的显著降低。总之,PTDM患者的粪便微生物代谢发生了显著变化,且与 TAC 剂量相关。 这项研究是首个探索PTDM患者的细菌分类组成变化和细菌基因功能变化,以更好地理解IM对PTDM的影响。

关键词: 移植后糖尿病     他克莫司     红基因     代谢    

人类蛋白质N-糖基化的十二年全基因关联研究 Review

Anna Timoshchuk, Sodbo Sharapov, Yurii S. Aulchenko

《工程(英文)》 2023年 第26卷 第7期   页码 17-31 doi: 10.1016/j.eng.2023.03.013

摘要:

Most human-secreted and membrane-bound proteins have covalently attached oligosaccharide chains, or glycans. Glycosylation influences the physical and chemical properties of proteins, as well as their biological functions. Unsurprisingly, alterations in protein glycosylation have been implicated in a growing number of human diseases, and glycans are increasingly being considered as potential therapeutic targets, an essential part of therapeutics, and biomarkers. Although glycosylation pathways are biochemically well-studied, little is known about the networks of genes that guide the cell- and tissue-specific regulation of these biochemical reactions in humans in vivo. The lack of a detailed understanding of the mechanisms regulating glycome variation and linking the glycome to human health and disease is slowing progress in clinical applications of human glycobiology. Two of the tools that can provide much sought-after knowledge of human in vivo glycobiology are human genetics and genomics, which offer a powerful data-driven agnostic approach for dissecting the biology of complex traits. This review summarizes the current state of human populational glycogenomics. In Section 1, we provide a brief overview of the N-glycan's structural organization, and in Section 2, we give a description of the major blood plasma glycoproteins. Next, in Section 3, we summarize, systemize, and generalize the results from current N-glycosylation genome-wide association studies (GWASs) that provide novel knowledge of the genetic regulation of the populational variation of glycosylation. Until now, such studies have been limited to an analysis of the human blood plasma N-glycome and the N-glycosylation of immunoglobulin G and transferrin. While these three glycomes make up a rather limited set compared with the enormous multitude of glycomes of different tissues and glycoproteins, the study of these three does allow for powerful analysis and generalization. Finally, in Section 4, we turn to genes in the established loci, paying particular attention to genes with strong support in Section 5. At the end of the review, in Sections 6 and 7, we describe special cases of interest in light of new discoveries, focusing on possible mechanisms of action and biological targets of genetic variation that have been implicated in human protein N-glycosylation.

关键词:     聚糖     N-糖基化     基因     遗传     全基因关联研究    

血浆代谢结合超微弱发光表征早期2型糖尿病的中医证型 Article

何敏, 孙濛濛, Slavik Koval, Roeland Van Wijk, Thomas Hankemeier, Jan Van der Greef, Eduard P.A. Van Wijk, 王梅

《工程(英文)》 2019年 第5卷 第5期   页码 916-923 doi: 10.1016/j.eng.2019.03.011

摘要: 从系统生物的角度,例如将代谢与其他系统性诊断方法(如超微弱发光)相结合,可提高对个性化诊断的理解,同时为此类个性化诊疗策略提供生化相关物质基础。在本研究中,我们研究了44名处于2型糖尿病前期的受试者的血浆代谢,探讨了基于以下中医亚型进行疾病早期分型的可行性:气阴两虚、气阴两虚挟痰湿、气阴两虚挟血瘀。此外,通过血浆代谢和超微弱发光在中医亚分型方面的关系,获得体内生化参数与体外表征参数的关联性信息,从而尝试对疾病亚型分类及判断有更深一步的阐释。血浆代谢数据表明,血脂谱是超微弱发光在2型糖尿病亚型分型中收集的重要组成部分。结果表明,2型糖尿病前期的不同中医亚型之间存在代谢差异,可通过血浆代谢物分析来区分这些亚型,血浆代谢为系统性超微弱发光体表测量提供了生化参数相关依据。

关键词: 2型糖尿病     血浆代谢    疾病亚型     超微弱发光     相关性网络    

深古菌门的核心代谢功能和热环境起源 Article

冯晓远, 王寅炤, Rahul Zubi, 王风平

《工程(英文)》 2019年 第5卷 第3期   页码 498-504 doi: 10.1016/j.eng.2019.01.011

摘要: 然而,深古菌的代谢特征和演化历史仍然有待进一步研究。本研究对来自10个不同亚群的15个新获得和36个已经发表的深古菌基因进行了比较基因组分析,揭示了深古菌门的核心代谢特征,即蛋白质、脂质、芳香族化合物降解,糖酵解途径和Wood–Ljungdahl上述核心代谢特征表明深古菌使用乙酰辅酶A作为重要的代谢中间物。此外,部分深古菌亚群还具有不完整的柠檬酸循环、产乙酸途径和硫化物相关的代谢潜能,表明不同亚群具有多样的代谢能力和生态功能。综上,本研究对深古菌门的核心代谢能力进行了系统性研究和总结,并揭示了深古菌热环境起源的演化历史。

关键词: 深古菌     宏基因     比较基因     超嗜热适应性    

时间序列多组整合分析揭示原代肝细胞体外培养去分化过程伴随非降解性泛素化修饰的增加 Article

姜正一, 孙泽宇, 欧阳晓希, 赵亚磊, 周梦豪, 王保红, 李启睿, 范林骁, 张赛男, 李兰娟

《工程(英文)》 2020年 第6卷 第11期   页码 1302-1314 doi: 10.1016/j.eng.2020.02.011

摘要: 尽管学者已经对PHC的转录调控和全细胞蛋白质(WCP)进行了广泛研究,但只有为数不多的研究考虑了蛋白质翻译后修饰(PTM)在这一过程中的作用。为了揭示引起PHC去分化的潜在机制,我们收集了在体外培养0 h、6 h、12 h、24 h和48 h的大鼠原代肝细胞样本,对各个时间点细胞样本的转录、WCP、泛素化蛋白质和磷酸化蛋白质进行了定量分析泛素化修饰和对应的WCP联合分析表明,PHC去分化伴随着非降解性K27泛素化修饰位点的增加。对差异表达的磷酸化修饰蛋白进行功能富集分析,表明该过程中有铁死亡参与。

关键词: 去分化     原代肝细胞     翻译后修饰     泛素化蛋白质     磷酸化蛋白质     转录    

多组学联用揭示花粉过敏基于肠道菌的新机制 Article

韩珮, 李丽莎, 王子熹, 锡琳, 于航, 丛林, 张正威, 符洁, 彭冉, 潘利斌, 马殊荣, 王艳, 王洪田, 王向东, 王琰, 孙劲旅, 蒋建东

《工程(英文)》 2022年 第15卷 第8期   页码 115-125 doi: 10.1016/j.eng.2021.03.013

摘要: 由于过敏性疾病与肠道菌群失调相关,本研究从宿主与微生物的分子层面,结合代谢和微生物,寻找可能的机制。来自于瘤胃球菌科(Ruminococcaceae)、毛螺菌科(Lachnospiraceae)和梭状芽孢杆菌(Clostridiales)的几个有益菌属在模型中表达减少,而幽门螺杆菌Helicobacter和阿克曼氏菌Akkermansia 仅在模型中表达。此外,模型肠道claudin-3 和肝脏脂肪酸结合蛋白表达下调,与代谢变化和细菌有关。

关键词: 代谢     肠道菌群     花粉过敏     过敏性疾病     肠道屏障功能紊乱    

分子标记的开发和系统发育基因实操班

会议日期: 2019年06月27日

会议地点: 山东济南

主办单位: 北京中科云畅应用技术研究院

作物表型大数据技术及装备发展研究

温维亮,郭新宇 ,张颖,顾生浩,赵春江

《中国工程科学》 2023年 第25卷 第4期   页码 227-238 doi: 10.15302/J-SSCAE-2023.04.015

摘要: ,表型数据内关联转向多组协同创新。综合利用遗传、基因、分子生物等技术手段,挖掘株型、穗型、种子大小等产量性状,蛋白质、油分、硬度等品质性状,养分吸收、转运、代谢等养分高效利用性状的关键调控基因,阐明高产、优质、高效协同改良的分子调控网络2020年,华中农业大学成功整合了来自同一玉米群体的基因、转录、表型代谢、表观基因、遗传变异、遗传定位结果等多组数据,构建了玉米定制化多组数据库(ZEAMAP)[研究在作物重要基因挖掘、全基因关联分析、基因表达调控网络构建、作物全基因选择、系统生物研究等方面发挥着日益重要的作用。基于丰富的多组数据,差异表达基因识别、复杂表型的转录因子识别或代谢物富集等遗传调控研究进展迅速,代表性工作有:利用显微电子计算机断层扫描(CT)表型技术结合全基因关联分析(GWAS),鉴定到调控维管束数目

关键词: 作物表型;表型大数据;表型技术及装备;多组    

通过将中医体质理论应用于不孕症

王琦

《工程(英文)》 2023年 第30卷 第11期   页码 30-31 doi: 10.1016/j.eng.2023.05.005

基因的发展助力古DNA研究

Sarah C.P. Williams

《工程(英文)》 2023年 第26卷 第7期   页码 9-11 doi: 10.1016/j.eng.2023.05.003

新孢子虫病——分子流行病及发病机制综述 Review

Asis Khan, Jahangheer S. Shaik, Patricia Sikorski, Jitender P. Dubey, Michael E. Grigg

《工程(英文)》 2020年 第6卷 第1期   页码 10-19 doi: 10.1016/j.eng.2019.02.010

摘要: 虽然分子流行病研究尚处于起步阶段,但核糖体小亚单位RNA(small subunit ribosomal RNA, ssuRNA)和犬新孢子虫物种特异性DNA探针(pNc5)中的18S rRNA和ITS1只有一株名为N. caninum Liverpool(Nc-Liv)的虫株被进行基因测序,并与其近亲弓形虫(Toxoplasma gondii)进行了比较。因此,需要基于全世界多个虫株的全基因序列进行详细的群体基因研究,以便更好地了解新孢子虫目前的种群遗传结构,最终
确定能够更有效对抗牛新孢子虫病的疫苗候选者。本文的目的是概述我们目前对新孢子虫的分子流行病和基因的理解,并将其与密切相关的顶复门寄生虫哈蒙球虫和弓形虫结合起来。

关键词: 新孢子虫病,分子流行病,群体遗传,基因,宿主反应,疫苗    

通过原位观察揭示人体肠道微生物的重建和动态变化 Article

刘小林, 戴敏, Yue Ma, 赵娜, Ziyu Wang, Ying Yu, Yakun Xu, Huijie Zhang, Liyuan Xiang, He Tian, 税光厚, 张发明, 王军

《工程(英文)》 2022年 第15卷 第8期   页码 89-101 doi: 10.1016/j.eng.2021.03.015

摘要:

人体肠道微生物主要通过使用粪便样本进行研究,这种做法已经得到了关于胃肠道微生物群落的组成和功能的重要知识。在我们的研究中,我们利用结肠途径经内镜肠内导管(一种最初为粪便微生物群移植开发的技术)每天两次对回盲部微生物进行采样;然后对这些样品进行宏基因和宏转录学分析。在5 名志愿者中分析的回盲部和粪便微生物被发现在宏基因组分析中相似,但它们的活性基因(宏转录)被发现高度不同。两种微生物在泻药暴露后都受到干扰;随着时间的推移,它们表现出与治疗前状态的差异减少,从而证明了作为肠道微生物的先天特性——恢复力,尽管它们在我们的观察时间窗口内没有完全恢复。粪便和尿液样本中的代谢学分析反映出了肠道微生物的扰动和恢复,表明肠道微生物对参与宿主健康的诸多关键代谢物的重要贡献。

关键词: 昼夜节律     重建     宏基因     宏转录     代谢     经内窥镜肠管    

标题 作者 时间 类型 操作

代谢扩展生物的“旁中心法则”——对理解基因-糖-代谢-表观基因互作的意义

Albert Stuart Reece

期刊论文

中医方证代谢——中药效应评价的有效途径

张爱华, 孙晖, 闫广利, 韩莹, 赵琦琦, 王喜军

期刊论文

功能代谢揭示黄芪多糖通过2-羟基丁酸改善肥胖小鼠的脂质代谢

李冰冰, 洪颖, 顾彧, 叶圣洁, 胡凯莉, 姚建, 丁侃, 赵爱华, 贾伟, 李后开

期刊论文

肝脏移植术后糖尿病患者肠道微生物的变化

凌琪, 韩玉秋, 马越, 王晓森, 朱铮, 王靖宇, 曹佳莹, 林笑含, 王军, 王保红

期刊论文

人类蛋白质N-糖基化的十二年全基因关联研究

Anna Timoshchuk, Sodbo Sharapov, Yurii S. Aulchenko

期刊论文

血浆代谢结合超微弱发光表征早期2型糖尿病的中医证型

何敏, 孙濛濛, Slavik Koval, Roeland Van Wijk, Thomas Hankemeier, Jan Van der Greef, Eduard P.A. Van Wijk, 王梅

期刊论文

深古菌门的核心代谢功能和热环境起源

冯晓远, 王寅炤, Rahul Zubi, 王风平

期刊论文

时间序列多组整合分析揭示原代肝细胞体外培养去分化过程伴随非降解性泛素化修饰的增加

姜正一, 孙泽宇, 欧阳晓希, 赵亚磊, 周梦豪, 王保红, 李启睿, 范林骁, 张赛男, 李兰娟

期刊论文

多组学联用揭示花粉过敏基于肠道菌的新机制

韩珮, 李丽莎, 王子熹, 锡琳, 于航, 丛林, 张正威, 符洁, 彭冉, 潘利斌, 马殊荣, 王艳, 王洪田, 王向东, 王琰, 孙劲旅, 蒋建东

期刊论文

分子标记的开发和系统发育基因实操班

2019年06月27日

会议信息

作物表型大数据技术及装备发展研究

温维亮,郭新宇 ,张颖,顾生浩,赵春江

期刊论文

通过将中医体质理论应用于不孕症

王琦

期刊论文

基因的发展助力古DNA研究

Sarah C.P. Williams

期刊论文

新孢子虫病——分子流行病及发病机制综述

Asis Khan, Jahangheer S. Shaik, Patricia Sikorski, Jitender P. Dubey, Michael E. Grigg

期刊论文

通过原位观察揭示人体肠道微生物的重建和动态变化

刘小林, 戴敏, Yue Ma, 赵娜, Ziyu Wang, Ying Yu, Yakun Xu, Huijie Zhang, Liyuan Xiang, He Tian, 税光厚, 张发明, 王军

期刊论文