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

摘要    

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

腫瘤是全球第二大死因，其中轉移性腫瘤占主要比例。目前，以細胞代謝的重編程來研究腫瘤的發(fā)展及轉移是一個成熟的研究領域。細胞代謝遠非簡單地作為細胞中營養(yǎng)物質分解和積累的過程而存在，而是被公認的細胞特征和功能的基本決定因素。某些腫瘤代謝物以自分泌、旁分泌和內分泌方式起作用以驅動腫瘤的進展和轉移。雖然年齡、飲食和生活方式對新陳代謝以及腫瘤進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的代謝物甲基丙二酸（MMA）的增加可以導致老年患者的腫瘤預后不良和腫瘤相關死亡率增加，強調了代謝改變在腫瘤進展中的重要地位。

MMA的產生對于TNBC的轉移有重要意義    

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行通路富集分析，在4T1原位小鼠模型中確定了與相應的原發(fā)性腫瘤相比，三陰性乳腺癌（TNBC）發(fā)生肺轉移時代謝物水平發(fā)生了顯著改變。雖然該實驗驗證了TNBC轉移的潛在代謝物和代謝途徑，但它可能無法解釋促進轉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物，這是一種全身增加的衰老誘導代謝物，其有助于增加腫瘤侵襲性。基于這些結果，作者假設TNBC細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移。為了測試腫瘤內MMA水平升高是否與轉移相關，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移性腫瘤的MMA濃度。研究結果證實，轉移瘤中的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，廣泛轉移的4T1克?。軌蛐纬赊D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胞系中的MMA水平，包括一個乳腺上皮細胞系，三個受體陽性乳腺癌細胞系和四個TNBC轉移性細胞系。作者觀察到，與受體陽性乳腺癌或乳腺上皮細胞系相比，轉移性TNBC細胞系MMA水平顯著增加（圖1）。這些觀察結果表明，MMA的產生和積累對于TNBC的成功轉移可能至關重要。

圖1 甲基丙二酸在乳腺癌轉移中上調

MCEE是轉移誘導劑丙酸鹽代謝失調的靶點    

為了確定細胞內MMA水平的增加是否為轉移過程中的早期和潛在驅動事件，作者分別用轉移誘導劑TGFβ和TNFα處理MCF10A和HCC1806細胞（受體陰性乳腺上皮和原代TNBC細胞系）。TGFβ和TNFα，長期以來一直被認為有助于腫瘤獲得轉移性，特別是通過它們在癌細胞中誘導EMT的能力，以及它們促進腫瘤微環(huán)境的能力。三天的TGFβ/TNFα處理足以增加這些細胞中的MMA水平，從而促進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)的中間體產生，研究者使用組合13C 標記的纈氨酸、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產生的貢獻。雖然作者不能排除奇鏈脂肪酸（OCFA）分解代謝的實質性貢獻，但數據表明，細胞內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。在MCF-10A和HCC1806細胞中，TGFβ/TNFα促進甲基丙二酰輔酶A差向異構酶（MCEE）表達的喪失，這與上皮的喪失和間充質標志物的增加有關。MCEE將甲基丙二酰輔酶A的D-異構體轉化為L-異構體，L-異構體可被甲基丙二酰輔酶A變位酶（MUT）下游作用，產生琥珀酰輔酶A，隨后進入TCA循環(huán)。MCEE丟失導致D-甲基丙二酰輔酶A的積累，從而增加MMA，如TGFβ/TNFα介導的MCEE抑制（圖2）。此外，作者發(fā)現(xiàn)MCEE丟失與4T1克隆的轉移能力相關，與局部侵襲性克隆相比，廣泛轉移的表達降低。作者還觀察到在轉移性細胞系中MCEE的蛋白表達降低。當比較受體陰性的原發(fā)癌細胞與從轉移性TNBC獲得的細胞時，作者觀察到丙酰輔酶A羧化酶（PCC）表達增加，盡管在研究的時間范圍內，這不是由TGFβ/TNFα誘導的。這些數據表明，甲基丙二酰輔酶A的D-異構體轉化為L-異構體是TGFβ/TNFα破壞丙酸鹽代謝的常見靶點，也是轉移信號傳導期間MMA產生增加的可能來源。另外，這一觀察結果并非特定于TNBC，因為用TGFβ/TNFα治療肺腺癌細胞（A549）也可促進這一類型癌癥中轉移特性的獲得，也促進MMA積累的增加，這與抑制MCEE表達有關。根據MCEE的表達對TNBC轉移的重要性和公開數據庫的分析表明，MCEE在淋巴結陽性TNBC中低表達，患者生存率會顯著降低，預后不良。綜合這些數據表明，MCEE是轉移誘導劑丙酸鹽代謝失調的靶點，也是TNBC中重要的代謝調節(jié)節(jié)點。

圖2 細胞內MMA的產生促進EMT和侵襲性

MCEE表達減少源于轉錄重編碼驅動的基因表達改變  

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

圖3 轉移信號通過調節(jié)MCEE導致MMA產生

丙酸鹽代謝和MMA積累可以促進小鼠的癌癥進展    

為了強調丙酸鹽代謝失調與腫瘤轉移進展之間的聯(lián)系，作者采用了遺傳學方法進行驗證。MCEE敲低，模仿其被轉移誘導劑抑制并導致MMA水平升高，足以調節(jié)MCF-10A、HCC1806和A549細胞中與癌癥進展相關的侵襲性標志物的表達，包括上皮缺失和間充質標志物增加。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移侵襲性。為此，作者在A549，MCF-10A和HCC1806細胞中敲低了MUT，這也導致MMA水平升高，并且在MCEE敲低中，親攻擊性標志物被改變。作者之前已經證明MMA足以誘導促轉移基因表達譜，同樣，MUT的敲低也誘導了具有轉移特征的相似基因表達譜，包括SOX4，TFGB1，TGFBR1和TGFBR2的表達增加。據報道，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也復制了這種效果，敲低MMAB也是如此，MMAB是編碼 cob（I）alamin 腺苷轉移酶的基因，可將維生素 B12 轉化為 MUT 利用的生物活性形式。為了進一步確定丙酸鹽代謝和MMA積累是否可以促進小鼠的癌癥進展，作者在轉移性乳腺癌細胞系MDA-MB-231細胞中敲低了MUT。在這些細胞中MUT表達的降低增加了MMA水平，并增加了細胞在跨孔測定中的遷移和侵襲能力。隨后，作者證明這些細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 誘導親攻擊性標志物重編程

PCC可能構成轉移性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節(jié)通量和產生MMA。據此，PCC的過表達導致丙酰輔酶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細胞中的過表達促進了促轉移標志物的表達。雖然PCC過表達對細胞的遷移能力沒有顯著影響，但MDA-MB231細胞尾靜脈注射后，PCC過表達顯著增加了侵襲能力和肺定植。為了進一步支持PCC對癌細胞內源性MMA產生的重要性，敲低PCCA（PCC酶復合物的功能所必需的亞基之一）消除了TGFβ/TNFα介導的MMA水平增加。另外，敲低PCCA雖然本身對非轉移性癌細胞中的侵襲性標志物沒有影響，但足以部分阻斷這些細胞中TGFβ/TNFα誘導的侵襲性特性。然而，PCCA敲低在誘導外源性MMA的侵襲性方面沒有影響，進一步支持依賴MMA進行PCC介導的對親攻擊性屬性的調節(jié)（圖5）。最后，已經分離出MDA-MB-231克隆細胞系MDA-MB-231-LM2，其肺定植和生長能力大大提高。此外，MDA-MB-231-LM2細胞與其親本系有效形成轉移性集落的能力較低，這些細胞中PCC的敲低顯著抑制了它們的轉移潛力，以MMA依賴性方式影響它們間充質標志物的表達，抑制了它們在跨孔測定中遷移和侵襲的能力。在另一種具有高轉移潛力的細胞系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可能受到與MMA水平無關的TCA周期中間體變化的影響的可能性，但本項研究數據揭示了PCC在癌細胞內源性產生MMA中的重要調節(jié)作用，并表明PCC可能構成轉移性TNBC的有價值的治療靶點。

圖5  PCC調節(jié)MMA水平并確定親攻擊性

總結  

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）可以通過腫瘤細胞本身改變丙酸鹽代謝以增加MMA水平，從而進行促轉移的重編程。研究者提出腫瘤細胞以內源性代謝副產物的積累為中心，通過MCEE的轉錄抑制，阻礙丙酸鹽代謝的通量，導致MMA的積累，從而獲得疾病進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導致腫瘤內MMA積累，以及MMA累積對腫瘤產生和進展以及衰老具有雙重作用，強調了MMA在癌癥中的重要性，但許多問題仍有待闡明，比如腫瘤細胞產生的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胞和其他細胞類型？MMA如何調節(jié)轉錄程序從而影響腫瘤細胞侵襲力？某種程度上，代謝物對腫瘤轉化機制研究似乎以前被低估了。作者的研究結果為進一步的研究提供了基礎和方向，可以想象該領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知。  

編譯：王曉璇；曹書梅    

審校：張軍；繆長虹  

參考文獻：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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