肝脏再生新机制：利用毒性代谢物氨支持嘧啶从头合成与细胞增殖

《Nature Communications》：Regenerating liver uses ammonia to support de novo pyrimidine synthesis and cell proliferation

本研究针对肝脏再生过程中如何满足快速细胞增殖所需的核酸前体这一关键问题，开展了关于嘧啶从头合成（de novo pyrimidine synthesis）通路在肝再生中作用机制的研究。研究人员发现，抑制二氢乳清酸脱氢酶（DHODH）可显著阻断肝细胞增殖；通过稳定同位素示踪和空间代谢组学技术，揭示了肝脏代谢重编程现象：再生肝组织将原本通过尿素循环解毒的氨重新定向，用于生成天冬氨酸和氨基甲酰磷酸（periportally）以及谷氨酰胺（pericentrally），进而作为嘧啶从头合成的前体。该研究首次阐明了肝脏在再生过程中利用毒性代谢产物氨支持合成代谢的新机制，为肝脏再生障碍相关疾病的治疗提供了新靶点。

肝脏拥有令人惊叹的再生能力，在小鼠模型中，切除约35%的肝组织（部分肝切除，PHx）后，剩余肝脏能在短短7天内几乎完全再生，其细胞增殖速度甚至超过某些快速生长的肿瘤组织。然而，与肿瘤无限增殖不同，肝脏再生过程受到精确调控，在恢复原有体积后便会停止。这种剧烈的组织生长必然需要大量的核酸合成以支持细胞快速分裂，但其中嘧啶核苷酸的来源，特别是嘧啶从头合成通路在肝再生中的作用，此前人们知之甚少。研究人员推测，类似于癌细胞，再生肝细胞可能高度依赖嘧啶从头合成来满足其S期DNA复制的巨大需求。

为了验证这一假设，研究团队发表在《Nature Communications》上的这项研究，深入探究了嘧啶从头合成在肝脏再生中的关键作用及其独特的代谢调控机制。

主要关键技术方法

本研究综合利用了多种技术平台。在动物模型上，采用小鼠部分肝切除（PHx）手术模拟肝脏再生过程。利用特异性抑制剂BAY-2402234靶向抑制二氢乳清酸脱氢酶（DHODH）活性。通过蛋白质印迹（Western blot）和EdU（5-乙炔基-2'-脱氧尿苷）掺入实验评估细胞增殖。采用液相色谱-质谱联用（LC-MS）进行靶向代谢物定量和稳定同位素（1?NH?Cl）示踪分析。运用基质辅助激光解吸电离（MALDI）质谱成像技术，特别是MALDI-TOF和MALDI-FTICR，实现了代谢物在肝组织不同功能分区（periportal至pericentral）的空间分布可视化。同时，通过免疫荧光染色标记肝脏功能分区关键酶（如GLS2、CPS1、GS）。

研究结果

抑制二氢乳清酸脱氢酶（DHODH）可抑制肝脏再生

研究人员首先关注了嘧啶从头合成通路中的关键线粒体酶——二氢乳清酸脱氢酶（DHODH）。该酶催化二氢乳清酸（DHO）转化为乳清酸（orotate）的反应，并偶联于线粒体电子传递链以提供还原力。使用高效特异性DHODH抑制剂BAY-2402234处理部分肝切除（PHx）后的小鼠，发现其体重恢复和肝体比（LBWR）恢复均被完全阻断。增殖标志物（MCM2、PCNA、pHH3）检测和EdU实验进一步证实，BAY-2402234处理显著抑制了肝细胞增殖，且这种抑制效应遍布整个肝实质。

嘧啶从头合成通路是肝脏再生所必需的

进一步代谢组学分析显示，在PHx后第3天和第7天，肝脏内嘧啶从头合成通路中间体，如谷氨酰胺（Gln）、氨基甲酰天冬氨酸（CA）、二氢乳清酸（DHO）的水平显著升高，并在再生完成时（第14天）恢复正常。BAY-2402234处理则导致DHO和CA大量积累，同时下游产物尿苷一磷酸（UMP）和尿苷二磷酸（UDP）水平降低，证明抑制剂有效阻断了该通路。MALDI成像空间分析揭示，在抑制剂处理的再生肝中，天冬氨酸（Asp）和谷氨酸（Glu）主要分布于门静脉周围区域（periportal），而谷氨酰胺（Gln）则富集于中央静脉周围区域（pericentral）。这种分布模式提示尿素循环可能参与提供了嘧啶合成的前体。

再生肝脏中尿素循环活性降低

肝脏的主要功能之一是将有毒的氨通过尿素循环转化为尿素排出体外。令人意外的是，研究发现在PHx后的再生肝脏中，尿素循环的活性反而降低了。通过给予1?N标记的氯化铵（1?NH?Cl）进行示踪，并分析尿素循环中间产物（如瓜氨酸、精氨琥珀酸、鸟氨酸）的水平和比值（如瓜氨酸/CA比值，瓜氨酸/鸟氨酸比值），证实了在PHx后第3天和第7天，尿素循环活性显著低于对照组，同时血液中尿素水平也相应降低。这表明在肝脏再生期间，氨的解毒过程被削弱。

未被尿素循环解毒的氨支持肝脏再生

那么，这些未被用于合成尿素的氨去了哪里？研究人员提出了一个创新的假设：再生肝脏将氨这种“毒性废物”重新利用，转而支持合成代谢。通过追踪1?N标记的氨的去向，他们发现标记的氮原子大量掺入到了嘧啶从头合成的前体分子中，包括谷氨酰胺（Gln）、氨基甲酰天冬氨酸（CA）、二氢乳清酸（DHO）和乳清酸。同位素富集度分析显示，在再生肝脏中，高达约50%的新合成嘧啶中间体来源于外源注入的氨。特别是在DHODH被抑制后，这些前体物质（CA, DHO）积累得更为显著，进一步证明了氨流向了嘧啶合成通路。

肝脏再生涉及代谢通路的功能分区

肝脏代谢具有明显的分区现象：尿素循环（依赖CPS1）主要位于门静脉周围区（periportal），而谷氨酰胺合成（依赖GS）严格位于中央静脉周围区（pericentral）。本研究通过免疫荧光和MALDI成像技术，精确描绘了再生肝脏中代谢通路的空间重构。研究发现，氨的利用也遵循这一分区原则：在门静脉周围区，氨通过谷氨酸脱氢酶（GDH）和氨基甲酰磷酸合成酶1（CPS1）等途径掺入，生成天冬氨酸（Asp）和氨基甲酰磷酸（CP），进而形成CA；在中央静脉周围区，则通过谷氨酰胺合成酶（GS）生成谷氨酰胺（Gln）。这些分区合成的产物随后被用于全域性的嘧啶从头合成，以支持广泛的细胞增殖。

扩大肝切除模型（~60% PHx）下的验证

为了研究更大幅度组织损失下的再生情况，团队进行了约60%的PHx手术。在此模型下，肝脏再生初期有所延迟，但整体的增殖能力更强。同样观察到了尿素循环活性降低和氨向嘧啶前体分流的现象，且这种分流更为显著，同位素富集度最高可达75%。值得注意的是，在60% PHx模型中，使用相同剂量的BAY-2402234对DHODH的抑制效果出现“衰减”，未能完全抑制增殖，提示在更强的再生压力下，代谢通路可能存在补偿机制。

研究结论与意义

本研究揭示了肝脏再生过程中一个精妙而关键的代谢重塑机制。再生肝脏并非简单地增强所有代谢活动，而是进行了一场“资源再分配”：适度降低尿素循环活性，将原本要排出体外的毒性代谢物——氨，巧妙地转化为构建核酸的“原材料”，用于支持嘧啶核苷酸的从头合成，从而满足细胞快速增殖的需求。这一过程具有明确的空间组织特性，充分利用了肝脏固有的代谢分区。

该研究的发现具有多重重要意义。首先，它深化了对肝脏再生代谢基础的理解，揭示了嘧啶从头合成通路和氨代谢的重编程是肝再生的核心环节之一。其次，它提出了一个“变废为宝”的创新概念，即生物体在特定生理状态下（如组织修复）可以将毒性物质转化为有益的生物合成前体。最后，该研究为临床提供了新的视角：对于肝脏手术后的再生障碍、与尿素循环缺陷相关的疾病（如高氨血症）以及某些癌症代谢，都可能从调控氨流向嘧啶合成的角度寻找新的治疗策略。它表明氨的生物学效应具有高度的情境依赖性，既是潜在的神经毒素，也是组织再生的重要推动力。