两篇发表在《自然》杂志上的论文描述了对代谢网络复杂功能理解的重大进展。这些研究来自Marian Walhout博士实验室，其实验室十多年来一直致力于研究代谢的基础问题。

Walhout博士指出，生物体不断监测其营养摄入，并调整代谢以产生生物量和能量；代谢通过一系列化学反应进行，这些反应共同构成了代谢网络。Walhout实验室试图了解这些反应是如何协同工作的，以及当网络中的信息流动被破坏时会发生什么。

细胞是否有能力在网络中找到替代路径？它们又是如何做到的？这些问题的答案具有广泛的意义，因为许多疾病和健康问题（如癌症、糖尿病和肥胖症）的根源都与代谢改变有关。

虽然单个反应和代谢途径已被详细研究，但确定哪些反应在特定细胞中、在特定时刻是活跃的或“有通量”的一直是一个繁琐的过程。今天发表的第一篇论文《Systems-level design principles of metabolic rewiring in an animal》采用系统方法来理解动物在代谢反应被破坏时改变代谢流动的原理。第二篇论文《 A systems-level, semi-quantitative landscape of metabolic flux in C. elegans》利用第一篇论文的数据推断动物在正常状态下代谢电路的“自然”布线，描述哪些反应是活跃的，哪些是关闭的。

这两项研究都得益于“线虫扰动测序”（Worm Perturb-Seq, WPS），这是一种新的高通量方法，用于在秀丽隐杆线虫中单独耗尽约900个代谢基因的表达。WPS利用RNA测序揭示代谢网络（通量）不同部分的变化如何影响基因表达，并表明基因表达可以用来了解生物体如何应对代谢的改变。从这项系统研究中积累的数据揭示了一个高级模型，即当“核心”代谢功能被耗尽时，具有相同核心代谢功能的基因会进行补偿，而其他核心代谢功能则被抑制。

Walhout及其同事所称的“补偿-抑制”（Compensation-Repression, CR）模型，代表了一种策略，即在这种情况下，线虫通过基因调控水平监测其代谢状态并对其进行调整。有趣的是，人类数据的初步分析表明，CR模型也可能解释人类代谢中的扰动。

“当我们分析WPS数据时，很明显它不仅有助于我们通过补偿-抑制模型了解动物如何重新布线其代谢，而且我们还可以利用这些数据通过计算建模推断线虫在正常状态下代谢通量是如何在网络中流动或‘布线’的，”Walhout说。“通过将代谢问题转化为基因组学挑战，我们能够绘制出成年线虫代谢的‘布线图’，揭示了许多新的见解。”

“这项研究最令人兴奋的部分是，我们的大多数预测都通过同位素示踪实验得到了验证，”两篇论文的共同第一作者、博士后研究员Hefei Zhang博士说。“这些结果表明，我们使用分子表型在系统级预测代谢网络布线的概念确实可靠。”

这些见解包括生物体利用RNA作为碳源；利用氨基酸作为能量来源为三羧酸循环提供动力；以及令人惊讶的是，葡萄糖等碳水化合物，此前一直被认为主要的能量来源，在线虫中的贡献相对较小。

“WPS以及这两项研究中呈现的结果，应该为其他生物（包括人类）的类似研究提供一个有力的框架，以提供对健康代谢以及代谢失调的疾病（如癌症、糖尿病和肥胖症）的见解，”Walhout说。

“这些研究共同建立了一个通过系统级方法研究代谢的新范式，”两篇论文的共同第一作者Xuhang Li补充道。