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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

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

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 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。

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。

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。

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。

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。

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?

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)。

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。

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-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

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。

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。

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。

a-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

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。

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。

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

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。

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?

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。

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。

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。

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。

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。

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。

因此,PC有望成为一个抑制肿瘤ECM生成的潜在靶点。