杨立峰研究组合作开发同位素示踪分析框架TRACE实现代谢物验证与营养去向解析

　　

8月18日，中国科学院上海营养与健康研究所杨立峰研究组与中国医学科学院/北京协和医学院王琳团队合作，在国际学术期刊Analytical Chemistry在线发表题为“TRACE: An Integrated Isotope-Tracing Framework for Metabolite Validation and Nutrient Fate Mapping”的研究论文。该研究提出了整合实验与计算的同位素示踪分析框架TRACE，通过从数据自身动态校准质量与保留时间容差、构建同位素信息峰网络，实现对生物来源代谢物与化学伪峰的严格区分，并在营养竞争条件下定量解析营养素在代谢通路中的去向。

非靶向液相色谱—质谱（LC-MS）代谢组学能够提供微生物代谢的全局视野，但其应用长期受两大相互交织的问题制约：一是难以将真正来源于细胞活动的代谢物信号与加合物、源内碎片及化学污染物等伪峰区分开来；二是难以在多种营养素同时存在的竞争条件下，定量解析细胞究竟优先利用哪些碳源和氮源。传统同位素示踪多追踪单一标记底物的去向，无法回答“多种营养并存时细胞如何选择”这一核心生理问题；现有计算工具多以单峰验证为主，在复杂质谱数据中固定的质量与保留时间容差容易产生大量假阳性关联，进而干扰对真实代谢网络的理解。

针对上述挑战，研究团队以酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）CEN.PK菌株为模型，在完全¹³C-葡萄糖、¹⁵N-硫酸铵标记体系中培养超过10代，获得均匀标记的代谢物。TRACE以同位素确认的峰作为高置信“种子”，在全数据集中构建峰—峰关联网络，并依据真实同位素连接的误差分布动态校准质量与保留时间容差，同步评估加合物、碎片与同位素变体等关系。与此前单峰验证工具PAVE相比，TRACE将分析从逐峰判断推进到系统级网络推断，提高了注释准确性，并纠正了因成对冲突导致的加合物误判。

在完成生物信号甄别后，TRACE通过检测同位素稀释而非标记富集，绘制营养竞争条件下的碳、氮去向图谱，直接回应“多种营养并存时，细胞优先利用哪些底物、经由哪些通路”这一生物学核心问题。研究在¹³C-葡萄糖与¹⁵N-铵盐背景下分别添加亮氨酸、苏氨酸、色氨酸、腺嘌呤、尿嘧啶、乙酸盐或14种化合物混合物，量化各代谢物的竞争稀释率。结果显示，完整营养混合物广泛贡献于硫代谢、嘌呤代谢与氨基酸代谢；色氨酸优先进入相关代谢通路，腺嘌呤选择性进入嘌呤代谢，苏氨酸向丝氨酸和甘氨酸代谢途径提供碳和氮。以谷胱甘肽（GSH）为线性组装模型，其同位素体谱与组成氨基酸高度一致，证实TRACE可定量捕获氨基酸的直接掺入；以NAD⁺为汇聚代谢枢纽，TRACE解析出嘌呤补救合成与从头合成并存、色氨酸经犬尿氨酸途径贡献烟酰胺，以及谷氨酰胺氮可独立进入NAD⁺等并行通路。

该研究将同位素确认的置信度与通路水平的营养追踪相结合，把非靶向LC-MS数据转化为营养流动的功能图谱，为理解微生物在复杂营养环境中的代谢偏好与资源分配策略提供了新的分析范式。这一方法有助于揭示肠道菌群、环境微生物及工业发酵菌株如何在多种碳源、氮源并存时做出代谢选择，为解析宿主—微生物互作、微生物群落功能预测、发酵过程优化以及营养干预下的代谢重塑等生物学问题奠定方法学基础，推动代谢组学从“看见代谢物”走向“理解代谢选择”。

中国科学院上海营养与健康研究所李锐博士后为论文第一作者，杨立峰研究员与中国医学科学院/北京协和医学院王琳研究员为论文通讯作者。研究得到科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国医学科学院医学与健康科技创新工程、中国科学院上海分院人才计划等的资助，同时得到中国科学院上海营养与健康研究所所级公共技术中心、赛默飞世尔科技质谱技术支持以及中国医学科学院生物医学高性能计算平台的支撑。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.analchem.6c02292

图：TRACE方法设计与营养去向解析

（注：上半部分展示TRACE以¹³C/¹⁵N同位素确认的代谢物峰作为网络种子，依据同位素、碎片与加合物规则扩展峰—峰连接，从复杂质谱特征中甄别生物来源代谢物；下半部分展示营养竞争条件下的同位素稀释分析，用于绘制碳、氮在代谢通路中的去向、吸收模式图谱。）

推送单元：杨立峰研究组、科技规划与任务处