基于约束建模揭示激酶抑制剂组合在胃癌细胞中的代谢协同机制

《npj Systems Biology and Applications》：Constraint based modeling of drug induced metabolic changes in a cancer cell line

本研究针对癌症代谢重编程的治疗挑战，通过整合基因组尺度代谢模型与转录组数据，系统分析了三种激酶抑制剂（TAKi、MEKi、PI3Ki）及其组合对胃癌细胞AGS代谢通路的影响。研究人员开发了TIDE算法变体TIDE-essential，发现PI3Ki-MEKi组合通过协同抑制鸟氨酸/多胺生物合成等通路凸显治疗潜力，为靶向代谢的协同疗法提供新见解。相关算法已集成至开源工具MTEApy，推动癌症代谢研究的可重复性。

　　

癌症细胞通过代谢重编程维持快速增殖和生存能力，这一特性使其成为极具潜力的治疗靶点。然而，传统转录组分析方法（如GSEA）难以捕捉代谢通路的具体变化机制，且基因组尺度代谢模型（Genome-Scale Metabolic Models, GEM）的构建存在方法学不一致性问题。为揭示激酶抑制剂组合对癌细胞代谢的协同作用机制，Benedicto等人在《npj Systems Biology and Applications》发表研究，通过整合约束建模与转录组数据，系统分析了三种激酶抑制剂（TAKi、MEKi、PI3Ki）及其组合在胃癌细胞AGS中的代谢影响。

研究团队首先通过RNA测序技术检测了AGS细胞在不同抑制剂处理后的基因表达变化，发现所有处理条件下上调基因数量均多于下调基因，其中MEKi诱导的转录变化最为显著。进一步通过基因集富集分析（Gene Set Enrichment Analysis, GSEA）发现，虽然基因层面呈现上调趋势，但通路水平却显示核糖体生物合成、线粒体基因表达等过程普遍被抑制，提示可能存在转录补偿机制。

为深入解析代谢通路变化，研究人员采用基于约束的代谢建模方法，应用差异表达推断任务（Tasks Inferred from Differential Expression, TIDE）算法，结合人类基因组尺度代谢模型Human-GEM，对187项代谢任务的活动变化进行量化。结果显示，各处理条件平均约50项代谢任务发生显著改变，且整体呈现下调趋势，尤其以氨基酸、核苷酸代谢通路最为突出。PI3Ki及其组合处理对氨基酸代谢的抑制效应最强，其中天冬氨酸向天冬酰胺的转化在所有条件下均被一致下调。

为识别协同效应，研究团队设计了代谢协同评分系统：弱协同指组合处理的代谢评分高于/低于单药最大/最小值；强协同指单药无显著效应而组合处理出现显著改变。在PI3Ki-MEKi组合中鉴定出49项协同代谢改变（占66项显著任务的74%），远高于PI3Ki-TAKi组合的14项（占55项的25%）。强协同效应主要涉及鸟氨酸向亚精胺的转化、泛醌（CoQ₁₀）合成等通路，其中多胺合成抑制可能通过诱导DNA损伤增强药物疗效。

针对TIDE算法依赖预设通量分布可能引入偏差的问题，研究者提出TIDE-essential变体，直接基于代谢任务必需基因（通过单基因敲除模拟确定）的表达变化评估通路活动。两种方法在共享任务上评分高度相关（Spearman ρ=0.93），但TIDE-essential额外识别出β-丙氨酸合成、糖降解等新型协同扰动，为代谢调控机制提供了基因层面的补充证据。

关键技术方法包括：基于DESeq2的差异表达分析（调整p值<0.05，|log-FC|>1）、GSEA通路富集分析（GO/KEGG数据库）、TIDE与TIDE-essential算法整合Human-GEM模型评估代谢任务活动、通量平衡分析（Flux Balance Analysis, FBA）与通量变异性分析（Flux Variability Analysis, FVA）验证任务可行性，以及基于必需基因敲除的代谢任务必需性判定。

研究结果

1. 1.
   激酶抑制剂诱导基因表达整体上调但通路水平抑制
   单药与组合处理均导致约2000个基因差异表达，上调基因数量占优（1200 vs 700），但GSEA显示核糖体生物合成、tRNA氨酰化等翻译相关通路被普遍抑制，提示转录补偿可能掩盖功能性抑制。
2. 2.
   代谢建模揭示生物合成通路广泛下调
   TIDE分析显示氨基酸、核苷酸代谢任务显著抑制，尤以PI3Ki相关处理最为突出。天冬酰胺合成酶活性下降与PI3K/AKT/mTORC1通路调控机制一致，可能增强细胞对代谢压力的敏感性。
3. 3.
   PI3Ki-MEKi组合展现最强代谢协同效应
   该组合独有的协同扰动包括多胺合成抑制（影响DNA稳定性）和泛醌合成下调（COQ₃表达降低），与体外实验中该组合更强的增殖抑制效果相符。PI3Ki-TAKi组合则特异性抑制硫氧还蛋白系统，可能增强CHK₁抑制剂敏感性。
4. 4.
   TIDE-essential提供基因层面互补证据
   新算法验证了TIDE核心发现，同时识别出糖降解等独特扰动，减少对通量分布假设的依赖，增强结果可解释性。

结论与意义

本研究通过整合多组学数据与约束建模，系统揭示了激酶抑制剂组合对癌症代谢的协同调控机制。PI3Ki-MEKi组合通过靶向多胺、泛醌等关键代谢通路产生强协同效应，为联合疗法开发提供了新靶点。所开发的TIDE-essential算法与开源工具MTEApy提升了代谢扰动分析的可靠性，为精准肿瘤学中代谢靶向策略的优化奠定了方法学基础。未来研究可结合剂量梯度实验与相互作用项统计模型，进一步深化对代谢协同机制的动态解析。