《自然》子刊：为了获取胶原蛋白，肿瘤代谢不走寻常路

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《自然》子刊：为了获取胶原蛋白，肿瘤代谢不走寻常路6 x. i! ~* k" w' A% m8 w
1.        肿瘤
5 P) |7 o) r+ t- X来源：奇点糕 2021-12-28 17:33
4 g( z# p! Y, l# t' N   在肿瘤微环境中，成纤维细胞是肿瘤细胞的重要合作伙伴。成纤维细胞的主要职责是生成以胶原为代表的细胞外基质（ECM），从而促进肿瘤细胞的发生发展。在多种癌种中，ECM蛋白的过度积累均与癌症患者的不良预后高度相关。然而，在机体的肿瘤微环境中，成纤维细胞如何维持细胞外基质蛋白的产生仍不清楚。近日，由纪念斯隆凯特琳癌症中心Craig
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在肿瘤微环境中，成纤维细胞是肿瘤细胞的重要合作伙伴。
! V. x$ R9 t/ O% l. h7 E成纤维细胞的主要职责是生成以胶原为代表的细胞外基质（ECM），从而促进肿瘤细胞的发生发展。在多种癌种中，ECM蛋白的过度积累均与癌症患者的不良预后高度相关。
; ^$ z" p! `9 O, u" M* A  y/ ~  i! N然而，在机体的肿瘤微环境中，成纤维细胞如何维持细胞外基质蛋白的产生仍不清楚。' B  T* ?4 t% E$ p; E3 l  y
近日，由纪念斯隆凯特琳癌症中心Craig B. Thompson教授领衔的研究团队，在《自然·代谢》期刊上发表重要研究成果。- H# Q+ x" Q  T6 Q* `
他们发现，在肿瘤微环境中，成纤维细胞丙酮酸羧化酶（PC）介导的三羧酸（TCA）循环代谢物回补，是维持细胞外基质生成的保障。他们的研究结果意味着，PC有望成为一个抑制肿瘤ECM生成的潜在靶点。
6 A6 t8 j  q! O4 `' @% b, t肿瘤微环境（TME）是由细胞外基质（ECM）蛋白交织而成的复杂空间网络。胶原是ECM的主要组成部分。已有很多研究表明，胶原异常沉积与肿瘤进展高度相关。
, Z- }2 X+ ?* r# X7 s6 ?& p此前的体外研究表明，转化生长因子-β （TGF-β）可促进成纤维细胞ECM的合成，并且此过程依赖于细胞对葡萄糖（Glc）和谷氨酰胺（Gln）的大量摄入。1 m# G; V, w8 o' E1 m( y' q0 b1 [
不过，由于肿瘤组织通常存在营养过度消耗，以及血管异常受损等情况，肿瘤中的葡萄糖和谷氨酰胺等营养物质非常稀少，体内的肿瘤通常处于代谢物供不应求的营养匮乏状态。% v7 R! r0 G) Y# {& l0 B
那么在营养物质匮乏的肿瘤微环境中，成纤维细胞究竟如何维持ECM的持续生成的呢？( f/ C  W; H" J7 ~
为了搞清楚这个问题，Thompson团队探索了不同浓度的Gln对成纤维细胞基质合成的影响（100% Gln代表2mM Gln）。
4 f- t9 i% r0 F+ X# O4 U, q6 e4 d实验发现，在Gln缺乏的条件下，经TGF-β处理的成纤维细胞增殖减缓，且无法产生I型胶原蛋白。代谢物分析表明，低Gln和TGF-β共同作用之后，成纤维细胞中的TCA循环中间产物、谷氨酸、天冬酰胺和天冬氨酸均有显着降低。并且，在给成纤维细胞回补了α-酮戊二酸（α-KG，TCA循环中间产物）和谷氨酸（Glu，合成谷氨酰胺的底物）之后，TGF-β又可重新诱导胶原产生。& J  z; ~2 v( ?( @, h5 V  `
以上所有结果说明， TGF-β促进成纤维细胞合成I型胶原蛋白的过程依赖于Gln水平，Gln缺乏及其引起的TCA循环代谢物下调，可抑制TGF-β介导的I型胶原蛋白合成。1 r5 ~" w5 ^7 c
a-c，不同浓度谷氨酰胺培养对成纤维细胞生长（a）、I型胶原蛋白生成（b）和TCA代谢物丰度（c）的影响；d，α-KG和glu回补对TGF-β依赖的胶原合成的影响
2 S! s* h, u2 D" J除Gln之外，丙酮酸是另一个可以回补TCA循环的重要碳源。细胞内的丙酮酸一般由葡萄糖代谢生成，在丙酮酸羧化酶（PC）的作用下，丙酮酸会转变为草酰乙酸而并入TCA循环。因此，Thompson团队想进一步探索这种PC介导的TCA回补，是否也能调控成纤维细胞的ECM合成。
* |4 L( A. i# V2 l/ f- H! @实验结果表明，在低Gln条件下，敲除成纤维细胞中的PC以后，I型胶原蛋白合成显着减少。与此同时，他们利用[U-13C] 葡萄糖的代谢示踪实验证实了，成纤维细胞中PC的敲除的确减少了葡萄糖对TCA中间代谢产物的回补以及Gln的生成。
  G1 x  r1 S6 J3 b这些结果意味着，在低Gln条件下，成纤维细胞依赖PC通过葡萄糖-丙酮酸通路来回补TCA代谢物水平及胞内Gln水平，从而维持I型胶原蛋白的合成。
0 E3 A4 x, C7 u- w( n- h- za-b，低谷氨酰胺条件下，PC敲除对成纤维细胞中胶原蛋白合成（a）和TCA中间代谢产物丰度的影响（b）；c，PC敲除对葡萄糖-丙酮酸通路回补细胞内Gln水平的影响8 ^# L( |; o& o5 N) J. H' _
那么，在低Gln条件下，TGF-β的处理为何会减少I型胶原蛋白的合成呢？Thompson团队推测，TGF-β很可能是抑制了低Gln条件下，PC介导的TCA回补和谷氨酰胺合成。0 f7 \/ B) C- ]
实验验证之后，他们发现TGF-β刺激的确可以导致成纤维细胞中PC的转录抑制和功能障碍。并且，PC的下调是通过TGF-β的下游分子SMAD4以转录方式直接调控的。这些结果意味着，在低Gln条件下，TGF-β可以切断成纤维细胞中PC介导TCA回补和谷氨酰胺合成，由此导致了I型胶原蛋白的合成受到抑制。6 F' ^+ M, h. R7 C" {; O5 k
a，TGF-β抑制成纤维细胞中PC mRNA的转录；b， [3，4-13C]葡萄糖代谢流示踪示意图；c，TGF-β抑制PC介导的草酰乙酸（及其下游代谢物）的生成；d，TGF-β抑制PC的活性% D( ~; N* p( v0 i8 F
随后，Thompson团队进一步探索TCA循环或谷氨酰胺如何调控I型胶原蛋白水平。实验发现，在低Gln条件下，TCA循环中间产物可通过表观遗传方式调控I型胶原蛋白（Col1a1）的转录水平。柠檬酸及柠檬酸生成的乙酰辅酶A是组蛋白乙酰化的重要乙酰基供体。在低Gln培养时，成纤维细胞的PC缺失可导致TCA中柠檬酸水平显着下降，使得Col1a1的组蛋白乙酰化（H3K27ac）减少，最终下调Col1a1 mRNA转录水平而使I型胶原蛋白的生成减少。! {0 k+ L( p. \
以上的数据表明，当细胞外谷氨酰胺浓度较低时，成纤维细胞中胶原的生成可以通过葡萄糖代谢经由PC来回补TCA循环，从而维持I型胶原蛋白的生成。然而，在体内的肿瘤微环境中，谷氨酰胺和葡萄糖均处于较低水平，那成纤维细胞究竟是如何维持自身的I型胶原蛋白合成呢？
$ Q1 h: k! l4 ~6 A6 _; q在肿瘤中，乳酸（Lac）是一种稳定且丰度高的代谢物。于是，Thompson团队猜想在体内的肿瘤微环境中，成纤维细胞很可能是利用乳酸来回补胞内的TCA循环。. B9 ?& J7 X0 Y; ?
乳酸[U-13C] Lac的代谢示踪实验表明，在低谷氨酰胺且乳酸存在的条件下，成纤维细胞内大部分丙酮酸的碳源来自乳酸，而葡萄糖对丙酮酸生成的贡献显着降低。此外，Thompson团队还观察到，在低谷氨酰胺的条件下，PC 对乳酸来源的丙酮酸的利用增加，表明乳酸来源的丙酮酸可以作为回补底物。
* _% K& H9 D! U8 `1 x并且在低Gln和低Glc的培养条件下，用生理浓度的乳酸（10mM）处理成纤维细胞后，I型胶原蛋白水平显着上调。然而，敲除PC后，乳酸则无法上调成纤维细胞中的TCA循环代谢物，进而无法促进I型胶原蛋白合成。
. t) N& V: C( }6 V, P9 a; y最后，研究人员使用成纤维细胞-肿瘤细胞共注射模型进行了体内实验。研究人员将小鼠乳腺癌细胞DB7和乳腺成纤维细胞（MFB）共同接种于小鼠皮下，观察发现，野生型MFB能显着促进肿瘤生长，而MFB中PC的敲除能显着降低其促肿瘤生长的能力。皮下肿瘤组织的western blot结果表明，敲除MFB的PC后的确显着降低了肿瘤组织中I型胶原蛋白水平。# K% `4 v4 _4 F
总的来说，这个研究主要表明成纤维细胞中的TCA循环回补和谷氨酰胺从头合成是维持其ECM产生的关键因素，而丙酮酸羧化酶（PC）则增加了成纤维细胞回补TCA循环的代谢灵活性。
4 a! m6 B# _8 C6 Y. Z在谷氨酰胺充足的情况下，TGF-β可介导ECM大量合成；而在谷氨酸匮乏的情况下，PC可介导葡萄糖和乳酸来源的碳源流入TCA循环，从而促进谷氨酰胺从头合成，以支持成纤维细胞维持ECM的持续生成。
( }% z& o9 j5 @% b2 h, r6 j2 V因此，PC有望成为一个抑制肿瘤ECM生成的潜在靶点。(生物谷Bioon.com）
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