《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
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* \* m  k, Y' ?: a, p  {来源：奇点糕 2021-12-28 17:33
9 L4 {/ \) d7 Y% d0 f1 Z, T6 L; S   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。
) G9 ~6 @- B$ n1 E& F' q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。
, v% k1 M$ a7 Z0 D, S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。
& O' k9 m/ w& Y- e( b" c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。9 N$ j5 l# m3 B* T
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。7 K7 K. F% H3 l4 U8 ~
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。
* H% Q: K0 R5 y, Y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。5 Q$ W0 [' c. Z/ _: V+ B
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。
# A+ H) r% z+ ?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？
# @! d, C  C+ P: P* O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）。
2 h2 O) N0 W+ ~( R+ f1 c5 n" R; r' X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。5 t+ |" H/ y9 M  m
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。
% v8 b+ T) Z0 N. P) z4 Q! Wa-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
( v5 v, O6 U- q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。
! p$ _6 q6 a, C' q# I$ x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。4 \2 p$ t* c( R/ k( o8 o& v1 S) s
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。
; h0 ]  W* v0 |- u& ?0 p; Ga-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4 k- n, m4 l. l6 R
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。  h- ~6 H( S; c( n0 f
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。
7 P# c% z0 R" L+ y  R6 g  pa，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: r. r% P. a! U4 Y* 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。
; P& k+ r( I' j/ }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？& j7 W% _' K2 M: W+ A! A
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。
, f% S% `& F" Z" p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。6 N+ ~9 A# u( [
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。3 W6 o6 i8 C* n% g' w
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。
$ J, e6 G7 a( o* F4 F$ V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。; P2 k' A3 F. S7 b; g
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。
0 l' S4 {1 y+ C$ P( f; H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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