《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8 \( }8 M: s% q* i: U. P8 J0 y
1.        肿瘤
; c0 w1 D- ~4 j( ]" k  w来源：奇点糕 2021-12-28 17:33- r. g- i$ |7 s3 W. h8 J- u$ |4 f
   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Craig8 d* Q& j+ E8 m9 A( u% r

6 Y7 u8 l0 \  }1 t在肿瘤微环境中，成纤维细胞是肿瘤细胞的重要合作伙伴。5 _4 D! U2 ?+ f4 T  W& }
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。3 O* h& ?$ l8 F
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。/ d* {5 Y% k/ n5 O, N
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。
1 F6 w* M5 s1 T( P* U0 A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。
" u4 a' s- g- y- i- r- f: E% ?8 j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' G) `. T* [% q8 w
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。( B! t5 ^: j) \0 [1 {8 M  D
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。. N6 `+ `. `" E3 n
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？
. W, C6 ]( t' ^( e' l5 b% Y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 U# o) e6 ~* q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。% g0 e2 b% V4 V. g
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。' A, Y5 M7 N  K4 c, t/ |
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3 `# x1 M6 v* g! x- \) ~
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。# Y; n! y8 h; j0 @$ L
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。
6 F& X7 X" b3 O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。
  n# ~; \; b$ j9 O1 [: G- p  m. _/ `0 Ya-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
! a2 {7 \& k7 _8 b- Y/ E  w) L& W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。1 f0 p- Y; o' X- G" G
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。
  }9 A( ~+ o1 C5 G; t. U2 d1 z2 ma，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. {2 T" U: T  @8 t* u8 O" V
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。
* ]! C" e% q1 k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？
) ?9 P# Z' I2 V, T* U: C- Y; j/ g9 y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。
3 s; a2 S1 ]: h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。
: {: R3 X5 N. e9 \2 r/ ]& b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。) R% L/ k$ s$ `# k
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。
7 y, z7 R3 ^0 h$ o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。
# z' N6 Y3 t: E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。8 S5 ?) T- u) F# {' o7 x8 v) L
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）3 g  Z0 {' i) C. v

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