代謝重編程是腫瘤的一個標志現象，越來越多的證據表明細胞代謝的重編程支持了腫瘤的發生、進展、轉移和耐藥。近年隨著代謝組學技術的發展，尤其是代謝流技術，極大的提升了對于腫瘤代謝異質性的理解。在此基礎上，研究者們針對腫瘤新陳代謝提出了相關的治療策略，如飲食控制、代謝酶抑制/激活等，也已經取得了積極的進展。 2020年2月，來自紐約大學醫學院的研究團隊在Cell metabolism（IF 27.3）發表題為“Activation of Oxidative Stress Response in Cancer Generates a Druggable Dependency on Exogenous Non-essential Amino Acids”的報道，研究者團隊主要利用代謝流技術，闡明了Keap1突變型腫瘤中因代謝重編程發生的外源非必需氨基酸（NEAAs）依賴性的機制，及其對于腫瘤發生發展的意義，提出并驗證了潛在的靶向代謝治療策略。 研究材料 細胞、小鼠模型 技術路線 步驟1：利用代謝組及代謝流描繪代謝重編程表型； 步驟2：闡明驗證發生機制及靶點挖掘； 步驟3：提出代謝靶向治療策略。 研究結果 1. 研究背景介紹 NFE2L2(簡稱Nrf2)是細胞抗氧化反應的主要轉錄調節因子，控制過多條參與活性氧(ROS)解毒的基因轉錄。在正常情況下，Nrf2被隔離在細胞質中，通過與Kelch-like ECH-associated protein 1(簡稱Keap1)互作，不顯示活性。當細胞中ROS積累，Keap1構象變化，Nrf2移位到細胞核促進相關靶基因轉錄。在KRAS驅動的非小細胞肺癌(NSCLC)中，大約20%的類型存在Keap1或Nrf2突變，是主要的治療靶點。此外，Keap1/NRF2抗氧化信號通路的突變在幾種實體癌癥中是常見的事件，通常均與患者的不良預后有關。 2. 代謝重編程表型描繪 研究者在體內及體外實驗中發現Keap1突變型腫瘤對外源NEAAs的攝取增多，尤其是當天冬氨酸、絲氨酸、甘氨酸這三種外源NEAAs耗盡時，Keap1突變型腫瘤出現明顯的生長抑制現象，但WT型腫瘤細胞并未受到影響，研究者推測這一現象可能是Keap1突變后腫瘤細胞出現代謝重編程，導致對NEAAs的需求增加或者合成NEAAs的能力減弱，從而產生了對外源NEAAs的依賴性。 圖1 外源絲氨酸、甘氨酸和天冬氨酸耗盡后出現顯著生長抑制 使用[U-13C]glucose和[U-13C]glutamine作為同位素底物標記細胞后，通過代謝流技術對氨基酸合成相關通路進行分析，發現兩種腫瘤對于絲氨酸的合成速率幾乎一致，但Keap1突變型細胞中的絲氨酸含量幾乎是WT腫瘤細胞的3倍，絕大部分來自外源。另外，Keap1突變型細胞中天冬酰胺幾乎都依靠外源攝入。以上結果說明相比WT細胞，Keap1突變型腫瘤內部經過代謝重編程后，對于NEAAs需求量增大，同時合成能力不足以支持這種需求，這與產生外源NEAAs依賴性表型是一致的。 圖2 代謝流分析氨基酸合成通路及內外源組成比例 3. 代謝重編程機制討論及靶點挖掘 （1）重編程意義討論及機制驗證 研究者通過激活Nrf2和給予細胞高氧化環境等手段，證明對外源NEAAs的依賴性由Nrf2激活所引導，是一種針對腫瘤細胞內部高ROS積累環境的適應機制，當處于外源NEAAs耗盡環境時，Keap1突變型細胞會出現明顯生長抑制。 圖3 Nrf2介導的氧化應激作用 （2）靶點挖掘 谷氨酸是NEAAs合成通路上的重要節點代謝物，結合已有研究與實驗驗證，研究者首先確認了Keap1突變型細胞生長受到細胞內谷氨酸含量的調控。 另一方面Keap1突變型細胞展現出對外源絲氨酸缺乏的敏感性，研究者討論了絲氨酸缺乏對于腫瘤細胞生長的抑制機制，發現核苷酸合成受阻是主要限制了Keap1突變細胞生長的主要原因。 為了探索Keap1突變型細胞內絲氨酸缺乏的原因，研究者用[U-13C]glucose標記Keap1突變型細胞，使用代謝流檢測當絲氨酸耗盡時，從頭合成通路的流量，發現相比WT細胞，Keap1突變型細胞中TCA循環的葡萄糖流量沒有增加，另外谷氨酰胺進入TCA循環的流量也沒有變化，表明Keap1突變型細胞中糖酵解相關前體的可用性沒有減少。 圖4 代謝流揭示絲氨酸合成通路流量變化 絲氨酸合成另一個關鍵節點是由谷氨酸與磷酸羥基丙酮酸(PHP)經催化，生成絲氨酸。這種轉氨基反應是由磷酸絲氨酸轉氨酶(PSAT)催化的。研究者在絲氨酸缺乏的情況下，向Keap1突變型細胞提供谷氨酸，發現細胞生長速率獲得恢復。通過構建PSAT基因敲除的WT和Keap1突變腫瘤細胞，驗證了這種能力依賴于PSAT的存在。 使用[α-15N] glutamine標記細胞，以確定谷氨酸氨基的代謝流向。發現外源絲氨酸耗盡時，細胞中增加15N標記的絲氨酸和甘氨酸比例上升。此外，還發現在缺乏絲氨酸的條件下，Keap1突變型細胞中15N標記的摻入減少，這表明Keap1突變細胞中谷氨酸可獲得性的降低減少了絲氨酸的合成。用Nrf2的小分子激活劑處理Keap1 WT細胞，同樣導致15N標記在絲氨酸和甘氨酸中的摻入減少。這證明在Keap1突變型細胞中絲氨酸的合成受到谷氨酸含量的調控，可以通過補充谷氨酸來恢復絲氨酸的合成。 圖5 谷氨酸含量下降引發絲氨酸、甘氨酸合成減慢 4. 針對代謝異質性的潛在治療策略 在上述基礎上，針對代謝異質性，研究者提出了兩種靶向代謝治療策略，一種是利用腫瘤細胞對絲氨酸、甘氨酸的敏感性，設計了絲氨酸和甘氨酸飲食攝入限制、天冬酰胺飲食限制、天冬酰胺酶注射等三種干預策略，通過動物模型驗證發現以上策略均能明顯抑制Keap1突變型腫瘤生長，其中使用天冬酰胺酶注射+天冬酰胺飲食限制聯合策略會強烈抑制腫瘤生長，但WT型腫瘤細胞對這三種策略不敏感。 另一種是針對腫瘤對于谷氨酸缺乏的敏感性設計的策略，其中谷氨酰胺酶抑制劑CB-839和絲氨酸及甘氨酸飲食攝入限制聯合治療顯著抑制了Keap1突變型腫瘤的生長，但令人驚喜的是，WT腫瘤的生長同樣受到該策略的強烈抑制。 圖6 靶向治療策略驗證 小結 研究者描述了腫瘤細胞發生代謝重編程后，產生對外源非必需氨基酸依賴的機制及意義，并確認谷氨酸和絲氨酸是重要的調節靶點，通過干預腫瘤可攝取的關鍵氨基酸量，成功控制了腫瘤生長。 中科優品推薦 【中科新生命】可提供代謝流+全譜代謝組代謝重編程研究一站式解決方案，現全譜非靶向代謝組火熱促銷中，歡迎感興趣的老師前來咨詢。
Cell Metabolism（IF 27.3）| 饑餓療法，代謝流助力揭示腫瘤的代謝脆弱性
作者：上海中科新生命生物科技有限公司 2021-12-31T15:17 (訪問量:4044)
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