胰腺癌通过调控非经典谷氨酰胺代谢 维持氧化还原稳态

王义平1* 雷群英2*
(1 上海交通大学医学院基础医学院生物化学与分子细胞生物学系, 上海 200025;
2 复旦大学上海医学院生物医学研究院, 肿瘤代谢实验室, 上海 200032 )
 
 

雷群英, 博士, 教授, 博士生导师, 国家杰出青年, 长江学者特聘教授, 首席科学家。 1993年获江西医学院学士学位, 1999年获苏州医学院硕士学位, 2002年获上海医科大 学医学博士学位, 之后在美国加州大学洛杉矶分校做博士后研究, 2006年被复旦大学 引进, 先后入选上海市科委“浦江人才”、教育部“新世纪优秀人才”、上海市卫生系统“优 秀学科带头人”、上海市教委“曙光学者”、上海市优秀学术带头人。2014年入选科技 部中青年科技领军人才, 2016年入选万人计划。雷群英教授迄今发表SCI论文50余篇, 曾获教育部自然科学一等奖和二等奖、上海市三八红旗手、第十届中国青年女科学 家奖、普康奖教金和上海市牡丹奖等奖项。雷群英教授及其合作者程金科教授、王 义平博士近期在Molecular Cell上发表的研究成果发现了胰腺癌非经典谷氨酰胺代谢 的调控机制。

 
 

1 胰腺癌细胞的代谢特点
近年研究发现, 肿瘤细胞具有独特的代谢表 型[1-3] , 代谢重塑是肿瘤发生发展的关键特征之一[4] 。 干预肿瘤细胞的代谢或修正肿瘤细胞异常代谢途径 逐渐成为极具潜力的治疗方式[5] 。 胰腺癌是一种高度恶性的肿瘤, 被称为“癌症之 王”, 其五年存活率仅为3%~5%[6] 。胰腺癌对传统的 放化疗和靶向治疗都会发生抵抗, 因此, 近年来胰腺 癌治疗并未获得突破性进展[7] 。系统地揭示胰腺癌 的代谢特征、发掘潜在的抑制胰腺癌代谢的靶点, 进而从代谢的角度干预胰腺癌发生发展成为具有高 度应用前景的治疗策略。

原癌基因KRAS(kirsten rat sarcoma viral oncogene)的激活突变是胰腺癌发生过程中的早 期标志性遗传事件, KRAS的激活突变存在于超过 90%的临床胰腺癌病例中[8] 。与此同时, 在诱导表 达的动物模型中发现, 在胰腺癌形成之后将KRAS 的激活突变体失活会导致肿瘤的迅速消退[9] 。这 些研究表明, KRAS在胰腺癌的发生发展过程中发 挥着极其关键的作用。进一步的研究表明, KRAS 激活突变体会通过影响胰腺癌细胞中的信号转 导、重塑胰腺癌细胞的代谢促进肿瘤的发生和发 展。例如, KRAS的持续激活可以增强其下游信号 通 路 的 活 力[包 括MAPK(mitogen-activated protein kinase)通路和PI3K(phosphatidylinositol 3-kinase)- mTOR(mammalian target of rapamycin)通路等], 进 而促进胰腺癌细胞的增殖和存活。然而, 目前在体 外培养的胰腺癌细胞系和体内动物模型中的研究表 明, 针对KRAS下游信号通路的抑制剂并未体现出高 效的抑癌作用[10-11] 。因此, 干预胰腺癌的代谢引起 了广泛的研究兴趣。

胰腺癌细胞的代谢具有肿瘤代谢共通的特点, 如沃伯格效应(Warburg effect) [12-13] 。胰腺癌细胞从 外界环境中高效摄入葡萄糖, 并采用无氧糖酵解方式将摄取的葡萄糖分子用于生物合成[14] 。转录组和 代谢组研究发现, 胰腺癌细胞的糖代谢体现出一些 独有的特征。KRAS的激活突变可以促使胰腺癌细 胞更快地摄取葡萄糖分子, 并经过糖酵解途径进一 步将糖酵解中间产物用于己糖胺合成通路, 相应的 胰腺癌细胞内的蛋白普遍被高度糖基化; 另一方面, KRAS突变导致吸收进入细胞的葡萄糖用于磷酸戊 糖途径的非氧化还原支路, 进而促进细胞中核糖的 产生, 维持胰腺癌细胞中核酸分子的生物合成[9] 。

磷酸戊糖途径包括氧化还原和非氧化还原两 个阶段, 两个阶段均可产生五碳糖, 即核糖[15] 。而 磷酸戊糖途径的氧化还原支路可以为细胞提供另 一种重要的代谢物, 即还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷 酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADPH)。NADPH是细胞内重要的还原力, 一方面, 可用于维持生物合成反应, 如脂肪酸的合成[16] ; 另一 方面, 可用于再生还原型谷胱甘肽, 维持细胞内的氧 化还原稳态[17] 。氧化还原稳态对肿瘤细胞的存活尤 为重要。胰腺癌细胞将葡萄糖选择性的经由非氧化 还原磷酸戊糖途径进行代谢会导致还原力NADPH 生成的缺乏。肿瘤细胞内部的稳态对维持肿瘤细胞 的存活和增殖非常关键[18] 。因此, 胰腺癌需要利用 其他的代谢途径产生NADPH, 维持细胞内的氧化还 原平衡, 保证细胞的存活和增殖。

2 胰腺癌细胞的非经典谷氨酰胺代谢
除葡萄糖外, 谷氨酰胺也是肿瘤细胞重要的 营养物质。早在上世纪50年代, 肿瘤代谢领域的先 驱们就发现, 肿瘤细胞对谷氨酰胺的摄入超过其他 必需氨基酸十倍以上[19] , 表明谷氨酰胺在细胞内绝 不仅仅是核酸和蛋白合成的前体物质。随后的研 究发现, 肿瘤细胞会将谷氨酰胺来源的碳以乳酸的 形式分泌到细胞外[20] , 表明谷氨酰胺可作为肿瘤细 胞的能源物质。进一步研究表明, 胰腺癌、脑胶质瘤、白血病、肺癌等多种肿瘤对谷氨酰胺的利用均 显著增强[20-22] 。谷氨酰胺被摄取进入细胞后, 经过 脱氨和氧化转变为α-酮戊二酸, 进而进入柠檬酸循 环用于供能或生物合成。谷氨酰胺来源的苹果酸可 从线粒体转运到胞质中, 进而作为苹果酸酶(malic enzyme 1, ME1)的底物用于NADPH的生成[23] (图1), 为脂肪酸等生物分子的合成提供还原力, 促进肿瘤 细胞增殖。

与其他肿瘤相似, 胰腺癌细胞的增殖和存活不 仅高度依赖于葡萄糖, 同时依赖于谷氨酰胺。不同 的是, 胰腺癌细胞采用了一条独特的谷氨酰胺代谢 通路。胰腺癌细胞将谷氨酰胺来源的谷氨酸转变 为天冬氨酸, 进而天冬氨酸被转运至胞质中, 随后 由谷草转氨酶1(glutamic-oxaloacetic transaminase 1, GOT1)、苹果酸脱氢酶1(malate dehydrogenase 1, MDH1)和苹果酸酶1催化连续的酶促反应, 将 天冬氨酸转变成为苹果酸、丙酮酸, 同时生成 NADPH[24] 。这条非经典的谷氨酰胺代谢通路被认 为和细胞的氧化还原稳态密切相关, 因此, 胰腺癌细 胞需要将非经典谷氨酰胺代谢途径与细胞的氧化还 原状态偶联到一起, 其调控分子机制引起了我们极 大的兴趣。

3 MDH1精氨酸甲基化偶联谷氨酰胺代 谢和氧化还原状态

我们的工作发现, 胰腺癌细胞通过调控MDH1的甲基化状态将谷氨酰胺代谢和细胞内的氧化还原 状态相偶联。除了在非经典谷氨酰胺代谢中发挥 功能外, MDH1同时也是苹果酸–天冬氨酸穿梭途径 中的重要蛋白, 负责将糖酵解产生的还原力NADH 转移到线粒体内用于线粒体呼吸[25] 。蛋白精氨酸 甲 基 转 移 酶4(protein arginine methyltransferase 4, PRMT4, 又称CARM1)对非经典谷氨酰胺代谢通路 中重要的代谢酶MDH1进行甲基化修饰。MDH1的 主要甲基化位点是第248位精氨酸(R248)。CARM1 介导的R248甲基化可以通过阻断MDH1蛋白的二聚 化进而抑制其催化活力(图2), 从而降低胰腺癌细胞 的线粒体呼吸和谷氨酰胺代谢活性[26] 。

当细胞处在氧化压力下时, CARM1的甲基转 移酶活力显著下降。MDH1的甲基化水平相应降低, 而MDH1的催化活力显著增强, 确保胰腺癌细胞通 过谷氨酰胺代谢通路产生更多的NADPH, 为对抗氧 化压力提供还原力(图3)。因此, CARM1可作为细胞 氧化还原状态的感受器, 维持细胞氧化还原平衡[26] 。

另外, KRAS的激活突变下调CARM1蛋白的表 达水平, 进而降低MDH1的R248甲基化, 从而促进胰 腺癌细胞的谷氨酰胺代谢, 维持胰腺癌细胞的快速 生长和增殖(图3)。更重要的是, 在临床胰腺癌组织 中, MDH1呈现高表达状态, 而CARM1处于低表达 状态。相应地, 胰腺癌细胞中MDH1的甲基化处于 较低水平, 其活力显著增强[26] 。这些证据充分表明, MDH1的甲基化调控在胰腺癌代谢以及胰腺癌发生发展中发挥重要作用。

胰腺癌细胞通过调控MDH1的甲基化水平将细 胞内的氧化还原稳态和非经典谷氨酰胺代谢偶联 到一起。这种调控机制提示我们, CARM1的激活剂 或MDH1的抑制剂可用于干预胰腺癌的谷氨酰胺代 谢。目前, 许多研究正在设计和开发针对CARM1的 小分子激活剂[27] 。胰腺癌代谢特征的逐步揭示将为 我们干预胰腺癌代谢提供更多的药物靶点和治疗策 略。



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