骑士搬运:Mol Cell——打破肿瘤生存规则的认知!林慧观团队报道三羧酸循环促进癌症转移的重要机制


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癌症代谢在癌症进展和转移中的具有重要作用。传统的观点认为,癌细胞更喜欢利用有氧糖酵解而不是三羧酸循环(称为 Warburg 效应)来更快的获取能量,这种代谢重编程被认为在癌症的进展和转移中起重要作用。因此在以往的肿瘤代谢研究中,三羧酸循环的作用往往被忽视。然而近年来,越来越多的研究提示三羧酸循环在癌症转移中的作用需要被重新审视。

2020 年 10 月 5 日,来自美国维克森林医学院的林慧观团队在 Molecular Cell 上在线发表了题为 Phosphorylation of PDHA by AMPK Drives TCA Cycle to Promote Cancer Metastasis 的研究成果。该研究发现 AMPKα 介导的 PDHA 磷酸化驱动了三羧酸循环,进而促使癌细胞适应转移微环境并最终发生转移。

图片来源:Molecular Cell

研究内容

在以前的研究中,尽管在某些肿瘤情况下 AMPK 被认为具有促癌作用,但 AMPK 因其在抑制 mTOR 活化中的作用而被广泛认为是一种肿瘤抑制剂。出乎意料的是,作者发现 AMPK 的过表达与乳腺癌患者较短的无转移生存期相关。

为进一步证实该结果,作者建立了自发形成肺转移的乳腺癌小鼠模型,发现相对于原位肿瘤,转移灶中 AMPK 的活性明显增高。干扰 AMPKα1 可消除癌症肺转移,然而,原发肿瘤的生长并不受此影响,提示 AMPK 激活对于肿瘤细胞转移过程的转移适应可能至关重要。

图片来源:Molecular Cell

进一步的实验发现,AMPKα1 敲低使肿瘤细胞更容易受到代谢应激的影响,并对氧化应激更敏感,在葡萄糖剥夺后肿瘤细胞凋亡增强。因此,AMPKα1 对于多种压力下的癌细胞存活至关重要,从而保护转移细胞免于应激诱导的细胞死亡并维持癌症转移。由于 AMPK 的激活使癌细胞在缺乏葡萄糖的情况下能够更好地存活,作者推测 AMPK 可能对于维持 TCA 循环至关重要。代谢组学研究表明,在 AMPKα1 敲低细胞中,TCA 循环中的几个关键代谢物(如 α- 酮戊二酸,富马酸酯和草酰乙酸)显著减少。

为了研究 AMPK 是否通过直接促进丙酮酸代谢来维持 TCA 循环的问题,作者进行了 13C 标记的丙酮酸和谷氨酰胺示踪实验。结果发现,在 AMPKα1 敲低细胞中,来自 13C 标记的丙酮酸的 TCA 循环代谢产物(柠檬酸盐,富马酸盐,苹果酸盐和琥珀酸盐)的水平降低了,这些结果表明 AMPKα1 是通过控制丙酮酸代谢来维持 TCA 循环的重要调节剂。

图片来源:Molecular Cell

丙酮酸位于糖酵解和 TCA 循环的交叉点,其代谢命运主要受乳酸脱氢酶(LDH)和丙酮酸脱氢酶复合体(PDHc)调控。前者通过将丙酮酸转化为乳酸来促进糖酵解,而后者通过将丙酮酸催化为乙酰辅酶 A 来维持 TCA 循环。作者发现,AMPKα1 对维持 PDHc 活性至关重要。作为 PDHc 中的重要组成,丙酮酸脱氢酶由催化性 α 亚基(PDHA)和调节性 β(PDHB)亚基组成。在 AMPKα1 敲低细胞中引入激活的 PDHA 可挽救肿瘤细胞在代谢和氧化应激下的存活率。由 AMPK 介导的 PDHc 激活可维持 TCA 循环,这对于肿瘤细胞在各种压力下的存活至关重要,从而促进了癌症的转移。

图片来源:Molecular Cell

AMPK 又是以怎样的机制激活 PDHc 的呢?先前的研究表明,PDHK 的 PDHA S293 磷酸化可抑制 PDHc 的激活。作者发现在 AMPKα1 敲低细胞中,PDHA S293 磷酸化水平升高,且 PDHA 与 PDHK1(磷酸化 PDHA 并抑制 PDHc 活性)之间的相互作用增强。

通过对 184 个乳腺癌样本进行免疫组化检测,作者发现 p-AMPK 与 p-PDHA 的表达水平呈负相关,高 p-AMPK 或低 p-PDHA 可预测患者较差的无转移生存期,提示 AMPK-PDHc 轴在乳腺癌进展和转移中具有重要作用。

图片来源:Molecular Cell

更加深入的机制研究发现,线粒体中的 AMPK 可以直接介导 PDHA S295 和 S314 磷酸化,进而影响 PDHc 的活性。作者发现,与野生型 PDHA 和 PDHA S314A(丝氨酸突变为丙氨酸,模拟去磷酸化)相比,PDHA S314D(丝氨酸突变为天冬氨酸,模拟磷酸化)可表现出与 PDHK1 的相互作用减弱,表明 PDHA S314 磷酸化抑制 PDHA 与 PDHK1 的相互作用以及随后的 PDHA S293 磷酸化。与 PDHA S295 磷酸化的功能机制不同,PDHA S295 磷酸化是通过作为 PDHc 活化和丙酮酸代谢至关重要的固有催化位点而发挥作用。

图片来源:Molecular Cell

最后,作者还进一步确认了 AMPK 介导的 S295 和 S314 磷酸化对于 TCA 循环和癌症转移中 PDHA 功能至关重要。

图片来源:Molecular Cell

研究总结

本研究揭示了 AMPK 通过促进 PDHA S295 和 S314 磷酸化来促进 PDHc 激活,以维持三羧酸循环,进而增强癌细胞的生存能力以实现癌症转移的关键作用。这一发现有助于人们对三羧酸循环在癌症进展和转移中的作用的认识,并为解决癌症转移的问题提供了潜在策略。

此外,本研究同时解决了关于先前发现的 PDHA S293 的磷酸化状态如何影响其催化活性的未知谜团,对于丙酮酸脱氢酶复合体的基础研究具有重要意义。三羧酸循环作为重要的代谢途径,其异常功能与许多代谢疾病诸如肥胖,糖尿病以及阿尔茨海默症密切相关,因此这项研究的成果对于这些疾病的研究也具有重要的借鉴作用。

据悉,该文章的第一作者为蔡震博士,蔡震博士现为美国 Wake Forest 大学医学院助理教授,通讯作者为林慧观教授。

图片来源:Molecular Cell

【来源:丁香学术】

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