從原發(fā)性腫瘤到轉(zhuǎn)移性腫瘤，腫瘤細(xì)胞如何獲取侵襲能力？學(xué)者們相信，找到這個問題的答案，可能為阻止腫瘤細(xì)胞擴(kuò)散帶來新的方法。2022年3月，威爾康奈爾醫(yī)學(xué)院的Ana P. Gomes等學(xué)者在《Nature Metabolism》雜志上發(fā)表了一篇題為《Altered propionate metabolism contributes to tumor progression and aggressiveness》的研究進(jìn)展，關(guān)注了腫瘤細(xì)胞代謝變化。通過小鼠模型發(fā)現(xiàn)，腫瘤細(xì)胞消化某些脂肪酸和蛋白質(zhì)組分時的一種代謝途徑--丙酸鹽代謝發(fā)生失調(diào)，會增加腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移潛力?，F(xiàn)介紹如下：

摘要    

代謝途徑改變是腫瘤細(xì)胞侵襲性增強的關(guān)鍵特征之一。研究發(fā)現(xiàn)丙酸鹽代謝的失調(diào)可增加乳腺癌和肺癌轉(zhuǎn)移潛能。這是通過甲基丙二酰輔酶A差向異構(gòu)酶（MCEE）的下調(diào)發(fā)生的，該下調(diào)由ERK2驅(qū)動的SP1/EGR1轉(zhuǎn)錄開關(guān)介導(dǎo)，由其啟動子水平的轉(zhuǎn)移信號驅(qū)動。MCEE的丟失導(dǎo)致丙酸鹽外流減少以及甲基丙二酸（MMA）在細(xì)胞和腫瘤內(nèi)積累。MMA是丙酸鹽代謝副產(chǎn)物，能促進(jìn)腫瘤細(xì)胞侵襲性。作者提出了以探究丙酸鹽代謝失調(diào)作為腫瘤的重要促進(jìn)因素和轉(zhuǎn)移性腫瘤治療的有價值潛在靶點。  

腫瘤是全球第二大死因，其中轉(zhuǎn)移性腫瘤占主要比例。目前，以細(xì)胞代謝的重編程來研究腫瘤的發(fā)展及轉(zhuǎn)移是一個成熟的研究領(lǐng)域。細(xì)胞代謝遠(yuǎn)非簡單地作為細(xì)胞中營養(yǎng)物質(zhì)分解和積累的過程而存在，而是被公認(rèn)的細(xì)胞特征和功能的基本決定因素。某些腫瘤代謝物以自分泌、旁分泌和內(nèi)分泌方式起作用以驅(qū)動腫瘤的進(jìn)展和轉(zhuǎn)移。雖然年齡、飲食和生活方式對新陳代謝以及腫瘤進(jìn)展的影響已得到充分證實，但在腫瘤微環(huán)境水平上發(fā)生的代謝改變的研究將為靶向治療提供新途徑。最近，有研究證明與年齡相關(guān)的代謝物甲基丙二酸（MMA）的增加可以導(dǎo)致老年患者的腫瘤預(yù)后不良和腫瘤相關(guān)死亡率增加，強調(diào)了代謝改變在腫瘤進(jìn)展中的重要地位。

MMA的產(chǎn)生對于TNBC的轉(zhuǎn)移有重要意義    

腫瘤，尤其是高度侵襲性腫瘤，因其具備改變正常生理過程以實現(xiàn)其進(jìn)展的能力而臭名昭著。本實驗中，作者通過對丙酸鹽代謝物進(jìn)行通路富集分析，在4T1原位小鼠模型中確定了與相應(yīng)的原發(fā)性腫瘤相比，三陰性乳腺癌（TNBC）發(fā)生肺轉(zhuǎn)移時代謝物水平發(fā)生了顯著改變。雖然該實驗驗證了TNBC轉(zhuǎn)移的潛在代謝物和代謝途徑，但它可能無法解釋促進(jìn)轉(zhuǎn)移的代謝改變的全部過程。通過這項分析，作者確定了已知的在癌癥進(jìn)展中受影響的過程，例如絲氨酸代謝和氨循環(huán)。另外，作者還發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)移性腫瘤的丙酸鹽代謝途徑，其中甲基丙二酸（MMA）是該途徑的一種副產(chǎn)物，這是一種全身增加的衰老誘導(dǎo)代謝物，其有助于增加腫瘤侵襲性?；谶@些結(jié)果，作者假設(shè)TNBC細(xì)胞可能影響丙酸鹽代謝途徑以積累MMA，從而使代謝方式更有利于增強腫瘤轉(zhuǎn)移。為了測試腫瘤內(nèi)MMA水平升高是否與轉(zhuǎn)移相關(guān)，作者使用LC-MS/MS檢測了原發(fā)腫瘤中針對4T1乳腺腫瘤小鼠模型的轉(zhuǎn)移性腫瘤的MMA濃度。研究結(jié)果證實，轉(zhuǎn)移瘤中的MMA濃度明顯高于原發(fā)性腫瘤。此外，從單個乳腺腫瘤分離的克隆亞群中發(fā)現(xiàn)，與局部侵襲性4TO7克隆相比，廣泛轉(zhuǎn)移的4T1克?。軌蛐纬赊D(zhuǎn)移瘤）的MMA水平顯著增高，且后者具有突破原發(fā)腫瘤的能力，前者仍處于轉(zhuǎn)移性休眠狀態(tài)，并且無法繼發(fā)性生態(tài)位定植。針對這些觀察結(jié)果作者提出了MMA濃度增加是否可以推廣到人類癌癥的問題，并測量了一組人類乳腺細(xì)胞系中的MMA水平，包括一個乳腺上皮細(xì)胞系，三個受體陽性乳腺癌細(xì)胞系和四個TNBC轉(zhuǎn)移性細(xì)胞系。作者觀察到，與受體陽性乳腺癌或乳腺上皮細(xì)胞系相比，轉(zhuǎn)移性TNBC細(xì)胞系MMA水平顯著增加（圖1）。這些觀察結(jié)果表明，MMA的產(chǎn)生和積累對于TNBC的成功轉(zhuǎn)移可能至關(guān)重要。

圖1 甲基丙二酸在乳腺癌轉(zhuǎn)移中上調(diào)

MCEE是轉(zhuǎn)移誘導(dǎo)劑丙酸鹽代謝失調(diào)的靶點    

為了確定細(xì)胞內(nèi)MMA水平的增加是否為轉(zhuǎn)移過程中的早期和潛在驅(qū)動事件，作者分別用轉(zhuǎn)移誘導(dǎo)劑TGFβ和TNFα處理MCF10A和HCC1806細(xì)胞（受體陰性乳腺上皮和原代TNBC細(xì)胞系）。TGFβ和TNFα，長期以來一直被認(rèn)為有助于腫瘤獲得轉(zhuǎn)移性，特別是通過它們在癌細(xì)胞中誘導(dǎo)EMT的能力，以及它們促進(jìn)腫瘤微環(huán)境的能力。三天的TGFβ/TNFα處理足以增加這些細(xì)胞中的MMA水平，從而促進(jìn)EMT和獲得侵襲性狀。為了確定MMA是由丙酰輔酶A還是由TCA循環(huán)的中間體產(chǎn)生，研究者使用組合13C 標(biāo)記的纈氨酸、異亮氨酸、蘇氨酸和蛋氨酸 （AA），以監(jiān)測通過丙酸鹽代謝途徑通量；或13C標(biāo)記的葡萄糖和谷氨酰胺（GG），用于監(jiān)測通過TCA循環(huán)，測量它們對MMA產(chǎn)生的貢獻(xiàn)。雖然作者不能排除奇鏈脂肪酸（OCFA）分解代謝的實質(zhì)性貢獻(xiàn)，但數(shù)據(jù)表明，細(xì)胞內(nèi)MMA增加的主要部分來自AA通過丙酸鹽代謝途徑分解代謝。為了確定MMA是如何增加的，作者測量了參與丙酸鹽代謝的酶的表達(dá)。在MCF-10A和HCC1806細(xì)胞中，TGFβ/TNFα促進(jìn)甲基丙二酰輔酶A差向異構(gòu)酶（MCEE）表達(dá)的喪失，這與上皮的喪失和間充質(zhì)標(biāo)志物的增加有關(guān)。MCEE將甲基丙二酰輔酶A的D-異構(gòu)體轉(zhuǎn)化為L-異構(gòu)體，L-異構(gòu)體可被甲基丙二酰輔酶A變位酶（MUT）下游作用，產(chǎn)生琥珀酰輔酶A，隨后進(jìn)入TCA循環(huán)。MCEE丟失導(dǎo)致D-甲基丙二酰輔酶A的積累，從而增加MMA，如TGFβ/TNFα介導(dǎo)的MCEE抑制（圖2）。此外，作者發(fā)現(xiàn)MCEE丟失與4T1克隆的轉(zhuǎn)移能力相關(guān)，與局部侵襲性克隆相比，廣泛轉(zhuǎn)移的表達(dá)降低。作者還觀察到在轉(zhuǎn)移性細(xì)胞系中MCEE的蛋白表達(dá)降低。當(dāng)比較受體陰性的原發(fā)癌細(xì)胞與從轉(zhuǎn)移性TNBC獲得的細(xì)胞時，作者觀察到丙酰輔酶A羧化酶（PCC）表達(dá)增加，盡管在研究的時間范圍內(nèi)，這不是由TGFβ/TNFα誘導(dǎo)的。這些數(shù)據(jù)表明，甲基丙二酰輔酶A的D-異構(gòu)體轉(zhuǎn)化為L-異構(gòu)體是TGFβ/TNFα破壞丙酸鹽代謝的常見靶點，也是轉(zhuǎn)移信號傳導(dǎo)期間MMA產(chǎn)生增加的可能來源。另外，這一觀察結(jié)果并非特定于TNBC，因為用TGFβ/TNFα治療肺腺癌細(xì)胞（A549）也可促進(jìn)這一類型癌癥中轉(zhuǎn)移特性的獲得，也促進(jìn)MMA積累的增加，這與抑制MCEE表達(dá)有關(guān)。根據(jù)MCEE的表達(dá)對TNBC轉(zhuǎn)移的重要性和公開數(shù)據(jù)庫的分析表明，MCEE在淋巴結(jié)陽性TNBC中低表達(dá)，患者生存率會顯著降低，預(yù)后不良。綜合這些數(shù)據(jù)表明，MCEE是轉(zhuǎn)移誘導(dǎo)劑丙酸鹽代謝失調(diào)的靶點，也是TNBC中重要的代謝調(diào)節(jié)節(jié)點。

圖2 細(xì)胞內(nèi)MMA的產(chǎn)生促進(jìn)EMT和侵襲性

MCEE表達(dá)減少源于轉(zhuǎn)錄重編碼驅(qū)動的基因表達(dá)改變  

接下來，作者驗證MCEE表達(dá)如何受到轉(zhuǎn)移信號的調(diào)節(jié)。大部分轉(zhuǎn)移過程源于轉(zhuǎn)錄重編碼驅(qū)動的基因表達(dá)改變，因此作者要驗證MCEE表達(dá)減少是否是轉(zhuǎn)錄改變的結(jié)果。該研究在MCEE mRNA水平用TGFβ/TNFα誘導(dǎo)MCEE啟動子活性的顯著喪失證實，TGFβ/TNFα對MCF10A和A549細(xì)胞中MCEE蛋白水平的抑制是源于轉(zhuǎn)錄過程基因表達(dá)的改變。在分析MCEE啟動子區(qū)域時，作者發(fā)現(xiàn)重疊的EGR1/SP1結(jié)合位點都是ERK的下游效應(yīng)子。作者之前發(fā)表對研究結(jié)果已經(jīng)證明，重疊的EGR1/SP1結(jié)合位點可以作為ERK2信號傳導(dǎo)下游的開關(guān)。在ERK2信號傳導(dǎo)時，磷酸化的SP1（該啟動子的正調(diào)節(jié)因子）去磷酸化，而該啟動子的負(fù)調(diào)節(jié)因子EGR1被顯著誘導(dǎo)，取代SP1并促進(jìn)轉(zhuǎn)錄抑制。為了確定是否存在類似的機制，作者使用了ERK2 D319N誘導(dǎo)的MCF10A細(xì)胞轉(zhuǎn)移信號傳導(dǎo)模型。與TGFβ/TNFα誘導(dǎo)的乳腺癌和肺癌細(xì)胞一樣，作者發(fā)現(xiàn)與對照細(xì)胞相比，ERK2 D319N表達(dá)抑制了MCEE的表達(dá)，同時顯著增加了MMA水平。另外，在該ERK2 D319N過表達(dá)系統(tǒng)中，MCEE啟動子活性也受到抑制，支持ERK2驅(qū)動的EGR1 / SP1結(jié)合位點的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。此外，在MCF10A和HCC1806細(xì)胞中敲低SP1模擬ERK2介導(dǎo)的MCEE抑制，SP1的磷酸化模擬突變體能夠在ERK2誘導(dǎo)的MCF10A細(xì)胞中挽救MCEE表達(dá)，而野生型SP1和不可磷酸化形式的SP1保持抑制。根據(jù)該模型，抑制ERK就抑制了TGFβ/TNFα誘導(dǎo)EGR1和SP1去磷酸化的能力，并同時阻斷了TGFβ/TNFα介導(dǎo)的MCEE表達(dá)抑制。總之，數(shù)據(jù)證明依賴于ERK的轉(zhuǎn)移信號通過創(chuàng)造一個環(huán)境來促進(jìn)MMA的產(chǎn)生，其中磷酸化的SP1（MCEE表達(dá)的正調(diào)節(jié)因子）去磷酸化并在MCEE的啟動子區(qū)域中被EGR1取代，拮抗MCEE表達(dá)（圖3）。 

圖3 轉(zhuǎn)移信號通過調(diào)節(jié)MCEE導(dǎo)致MMA產(chǎn)生

丙酸鹽代謝和MMA積累可以促進(jìn)小鼠的癌癥進(jìn)展    

為了強調(diào)丙酸鹽代謝失調(diào)與腫瘤轉(zhuǎn)移進(jìn)展之間的聯(lián)系，作者采用了遺傳學(xué)方法進(jìn)行驗證。MCEE敲低，模仿其被轉(zhuǎn)移誘導(dǎo)劑抑制并導(dǎo)致MMA水平升高，足以調(diào)節(jié)MCF-10A、HCC1806和A549細(xì)胞中與癌癥進(jìn)展相關(guān)的侵襲性標(biāo)志物的表達(dá)，包括上皮缺失和間充質(zhì)標(biāo)志物增加。然后，作者驗證通過改變丙酸鹽代謝途徑的其他靶點來增加MMA是否可以同樣增加腫瘤轉(zhuǎn)移侵襲性。為此，作者在A549，MCF-10A和HCC1806細(xì)胞中敲低了MUT，這也導(dǎo)致MMA水平升高，并且在MCEE敲低中，親攻擊性標(biāo)志物被改變。作者之前已經(jīng)證明MMA足以誘導(dǎo)促轉(zhuǎn)移基因表達(dá)譜，同樣，MUT的敲低也誘導(dǎo)了具有轉(zhuǎn)移特征的相似基因表達(dá)譜，包括SOX4，TFGB1，TGFBR1和TGFBR2的表達(dá)增加。據(jù)報道，維生素 B12 缺乏者的血清中MMA水平升高，因為 MCEE下游的MUT活性需要維生素B12。事實上，從培養(yǎng)基中消耗維生素B12也復(fù)制了這種效果，敲低MMAB也是如此，MMAB是編碼 cob（I）alamin 腺苷轉(zhuǎn)移酶的基因，可將維生素 B12 轉(zhuǎn)化為 MUT 利用的生物活性形式。為了進(jìn)一步確定丙酸鹽代謝和MMA積累是否可以促進(jìn)小鼠的癌癥進(jìn)展，作者在轉(zhuǎn)移性乳腺癌細(xì)胞系MDA-MB-231細(xì)胞中敲低了MUT。在這些細(xì)胞中MUT表達(dá)的降低增加了MMA水平，并增加了細(xì)胞在跨孔測定中的遷移和侵襲能力。隨后，作者證明這些細(xì)胞在尾靜脈注射后在小鼠肺部定植和生長的能力增強。

 圖4 抑制 MUT 誘導(dǎo)親攻擊性標(biāo)志物重編程

PCC可能構(gòu)成轉(zhuǎn)移性TNBC的有價值的治療靶點    

丙酰輔酶A羧化酶（PCC）催化BCAA和OCFA衍生的丙酰輔酶A，因此通過丙酸鹽代謝途徑調(diào)節(jié)通量和產(chǎn)生MMA。據(jù)此，PCC的過表達(dá)導(dǎo)致丙酰輔酶A水平升高，從而通過丙酸鹽代謝途徑的通量增加，如MMA和琥珀酸鹽以及其他TCA循環(huán)中間體，反映其對MMA水平的影響。PCC在HCC1806，MCF-10A和A549細(xì)胞中的過表達(dá)促進(jìn)了促轉(zhuǎn)移標(biāo)志物的表達(dá)。雖然PCC過表達(dá)對細(xì)胞的遷移能力沒有顯著影響，但MDA-MB231細(xì)胞尾靜脈注射后，PCC過表達(dá)顯著增加了侵襲能力和肺定植。為了進(jìn)一步支持PCC對癌細(xì)胞內(nèi)源性MMA產(chǎn)生的重要性，敲低PCCA（PCC酶復(fù)合物的功能所必需的亞基之一）消除了TGFβ/TNFα介導(dǎo)的MMA水平增加。另外，敲低PCCA雖然本身對非轉(zhuǎn)移性癌細(xì)胞中的侵襲性標(biāo)志物沒有影響，但足以部分阻斷這些細(xì)胞中TGFβ/TNFα誘導(dǎo)的侵襲性特性。然而，PCCA敲低在誘導(dǎo)外源性MMA的侵襲性方面沒有影響，進(jìn)一步支持依賴MMA進(jìn)行PCC介導(dǎo)的對親攻擊性屬性的調(diào)節(jié)（圖5）。最后，已經(jīng)分離出MDA-MB-231克隆細(xì)胞系MDA-MB-231-LM2，其肺定植和生長能力大大提高。此外，MDA-MB-231-LM2細(xì)胞與其親本系有效形成轉(zhuǎn)移性集落的能力較低，這些細(xì)胞中PCC的敲低顯著抑制了它們的轉(zhuǎn)移潛力，以MMA依賴性方式影響它們間充質(zhì)標(biāo)志物的表達(dá)，抑制了它們在跨孔測定中遷移和侵襲的能力。在另一種具有高轉(zhuǎn)移潛力的細(xì)胞系Hs578T中，PCCA敲低也影響了它們的增殖能力，并降低了它們在小鼠肺部定植的能力。雖然不能排除這種效應(yīng)可能受到與MMA水平無關(guān)的TCA周期中間體變化的影響的可能性，但本項研究數(shù)據(jù)揭示了PCC在癌細(xì)胞內(nèi)源性產(chǎn)生MMA中的重要調(diào)節(jié)作用，并表明PCC可能構(gòu)成轉(zhuǎn)移性TNBC的有價值的治療靶點。

圖5  PCC調(diào)節(jié)MMA水平并確定親攻擊性

總結(jié)  

作者曾在之前的研究中證實了代謝物MMA和衰老以及腫瘤預(yù)后之間的重要聯(lián)系。本研究中，研究者證明高度侵襲性腫瘤（如TNBCs）可以通過腫瘤細(xì)胞本身改變丙酸鹽代謝以增加MMA水平，從而進(jìn)行促轉(zhuǎn)移的重編程。研究者提出腫瘤細(xì)胞以內(nèi)源性代謝副產(chǎn)物的積累為中心，通過MCEE的轉(zhuǎn)錄抑制，阻礙丙酸鹽代謝的通量，導(dǎo)致MMA的積累，從而獲得疾病進(jìn)展所必需的侵襲特性和能力。雖然作者揭示了丙酸鹽代謝失調(diào)導(dǎo)致腫瘤內(nèi)MMA積累，以及MMA累積對腫瘤產(chǎn)生和進(jìn)展以及衰老具有雙重作用，強調(diào)了MMA在癌癥中的重要性，但許多問題仍有待闡明，比如腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生的MMA是否主要以自分泌方式起作用，或者它是否可以分泌作用于鄰近的腫瘤細(xì)胞和其他細(xì)胞類型？MMA如何調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄程序從而影響腫瘤細(xì)胞侵襲力？某種程度上，代謝物對腫瘤轉(zhuǎn)化機制研究似乎以前被低估了。作者的研究結(jié)果為進(jìn)一步的研究提供了基礎(chǔ)和方向，可以想象該領(lǐng)域的深入探索將極大程度拓寬我們對腫瘤微環(huán)境，衰老和癌癥中代謝重編程的認(rèn)知。  

編譯：王曉璇；曹書梅    

審校：張軍；繆長虹  

參考文獻(xiàn)：Gomes AP, Ilter D, Low V, et al. Altered propionate metabolism contributes to tumour progression and aggressiveness.Nat Metab. 2022;4(4):435-443. doi:10.1038/s42255-022-00553-5  

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