大鼠昼夜节律发育代谢组学图谱：多组织动态代谢网络的构建与解析

本研究针对哺乳动物发育过程中组织特异性昼夜代谢节律缺乏系统性图谱的问题，由捷克科学院生理学研究所团队构建了首个大鼠昼夜节律发育代谢组学图谱（COMA）。通过多平台LC-MS技术分析E19至P28阶段16种组织的1610份样本，鉴定851种代谢物，发现24%代谢物呈现节律振荡，首次揭示哺乳期向固体食物过渡期（P10-P20）的代谢重编程特征。该研究为发育生物学和代谢疾病研究提供了重要资源，相关成果发表于《Cellular and Molecular Life Sciences》。

　　

生物体的昼夜节律系统如同精密的交响乐，由位于下丘脑的视交叉上核（SCN）担任指挥，协调全身外周组织的代谢节律。然而，这场交响乐在个体发育过程中如何逐步成型？特别是在从母体依赖到自主摄食的关键过渡期，代谢网络如何重构？这些问题的答案长期隐藏在科学迷雾中。传统研究多聚焦于基因表达层面，而对代谢物这种直接反映生理功能的分子动态知之甚少。

捷克科学院生理学研究所的Lucie Rudl Kulhava、Pavel Houdek等研究者决心揭开这一谜题。他们历时多年，构建了首个覆盖大鼠从胚胎期（E19）到性成熟期（P28）全发育阶段的昼夜节律代谢组学图谱（COMA）。这项发表于《Cellular and Molecular Life Sciences》的研究，如同为发育生物学领域点亮了一盏明灯，首次系统描绘了代谢物在时空维度上的动态变化规律。

研究团队采用多平台LC-MS（液相色谱-质谱）技术，结合创新的"all-in-one"双相提取方法（LIMeX），对SCN、mPFC、肝脏等16种组织的1610份样本进行代谢组和脂质组分析。通过激光显微切割获取SCN样本，采用氢/氘交换质谱（HDX-MS）辅助未知代谢物鉴定，并运用JTK_CYCLE和dryR算法解析节律特征。样本队列涵盖5个发育阶段（E19、P2、P10、P20、P28），每个时间点设置7个昼夜采样位点和5个生物学重复。

昼夜代谢振荡的发育轨迹
研究发现24%的代谢物呈现显著昼夜振荡（JTK_CYCLE，ADJ.P<0.05），其中白色脂肪组织（dlWAT/isWAT）和肝脏的节律代谢物占比最高（约40%）。通过聚类分析识别出6类特征性节律模式，如在P20阶段血浆代谢物中，42%呈现"日间下降-夜间上升"的B型节律。值得注意的是，哺乳期向固体食物过渡阶段（P10-P20）出现显著的代谢重编程，12%代谢物节律消失，13%新出现节律。

组织特异性代谢特征
PLS-DA分析揭示各组织的标志性代谢物：胚胎期（E19）血浆以次黄嘌呤核苷为主，而断奶期（P20/P28）肝脏中甘氨胆酸显著升高。在mPFC中，己糖基神经酰胺（HexCer 42:1;O₂）随发育逐渐积累，反映髓鞘形成过程。令人意外的是，粪便中核黄素在P2/P10阶段含量丰富，至P28几乎消失，提示肠道菌群与宿主代谢的协同发育。

技术突破与资源建设
研究团队通过HDX-MS成功鉴定了骨骼肌中的N¹-乙酰亚精胺，展示了原始数据再挖掘的价值。建立的COMA数据库（https://coma.metabolomics.fgu.cas.cz）整合了代谢物动态曲线、节律分析结果和多元统计模型，支持按分子式、InChIKey等多维度检索。所有原始mzXML文件已在Zenodo平台开放，为领域内研究提供宝贵资源。

这项研究首次绘制了哺乳动物发育过程中的代谢节律全景图，其重要意义体现在三个维度：

1. 理论层面：揭示SCN中枢时钟与外周组织代谢的发育耦联机制，特别是哺乳期营养转换对代谢节律的影响
2. 方法学层面：建立跨发育阶段的多组织代谢分析标准流程，其质量控制体系（84%代谢物RSD<10%）为同类研究提供范本
3. 资源层面：创建的交互式图谱突破传统论文的静态数据局限，支持研究者自主探索特定代谢通路的时间生物学特征

该成果为理解代谢性疾病（如肥胖、糖尿病）的发育起源提供了新视角，其揭示的短链甘油三酯（如TG 10:0/12:0/14:0）在断奶期的动态变化，或成为婴幼儿营养干预的潜在时间窗口。正如作者强调："标准化采样时间对代谢组学研究至关重要，因为代谢物水平同时受到发育程序和昼夜节律的双重调控。"这项研究将推动生命科学领域从"静态代谢组"向"时空动态代谢组"的研究范式转变。