代謝是細(xì)胞及機(jī)體生命活動(dòng)能量與物質(zhì)來(lái)源的基礎(chǔ)，其穩(wěn)態(tài)平衡是機(jī)體應(yīng)對(duì)內(nèi)外時(shí)空變化的重要保障。代謝紊亂或調(diào)控機(jī)制異常與多種人類疾病密切相關(guān)，例如，腫瘤代謝異常賦予腫瘤細(xì)胞特異性增殖優(yōu)勢(shì)，影響和改變腫瘤微環(huán)境，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的存活。因此，揭示代謝途徑調(diào)控機(jī)制，將為包括腫瘤在內(nèi)的疾病發(fā)病機(jī)理提供全新突破口，并為其臨床靶向預(yù)治提供新的策略與手段。

擬素化（neddylation）是一種調(diào)節(jié)蛋白活性或功能，但不介導(dǎo)其被26S蛋白酶體降解的蛋白質(zhì)翻譯后修飾。擬素化過(guò)程與泛素化過(guò)程類似，通過(guò)NEDD8激活酶E1（NEDD8-activating enzyme, NAE）、NEDD8耦聯(lián)酶E2（NEDD8-conjugating enzyme）和E3連接酶（E3 ligase）組成的三聯(lián)酶促反應(yīng)將擬素 NEDD8 與目標(biāo)蛋白共價(jià)結(jié)合。擬素化修飾的生理性底物為Cullin家族蛋白（共8種，包括CUL1、2、3、4A、4B、5、7和9)， Cullin的擬素化激活Cullin-RING ligase（CRL）E3泛素連接酶。CRLs是最大的一類泛素連接酶超家族，由Cullin骨架蛋白、RING結(jié)構(gòu)域蛋白（RBX1或RBX2）、接頭蛋白（adaptor）和底物識(shí)別受體（substrate receptor）幾個(gè)部分組成。負(fù)責(zé)細(xì)胞內(nèi)大約20%的經(jīng)泛素-蛋白酶體信號(hào)通路降解蛋白的泛素化。因此，擬素化修飾與蛋白泛素化降解緊密關(guān)聯(lián)。然而，擬素化信號(hào)通路如何調(diào)控細(xì)胞代謝目前仍不清楚。

近日，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院腫瘤研究所/浙江大學(xué)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院孫毅教授團(tuán)隊(duì)在 Nature Communications 期刊發(fā)表了題為：Neddylation inhibition induces glutamine uptake and metabolism by targeting CRL3SPOP E3 ligase in cancer cells 的研究論文。

該研究報(bào)道了擬素化修飾通過(guò)CRL3SPOP E3泛素連接酶調(diào)控腫瘤細(xì)胞的谷氨酰胺吸收和代謝。

研究團(tuán)隊(duì)前期工作發(fā)現(xiàn)，使用小分子MLN4924抑制擬素化修飾，可以誘導(dǎo)線粒體從分裂向融合的動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)換，破壞線粒體功能，并通過(guò)激活PKM2促進(jìn)糖酵解。非靶向代謝組學(xué)研究指出擬素化修飾在整體上顯著調(diào)控細(xì)胞代謝，通過(guò)分析細(xì)胞代謝通路，發(fā)現(xiàn)谷氨酰胺代謝變化最為顯著。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明，阻斷擬素化修飾后，腫瘤細(xì)胞谷氨酰胺吸收及其代謝顯著增加；且僅有谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)體ASCT2/SLC1A5水平增高。增高的ASCT2促進(jìn)細(xì)胞谷氨酰胺吸收和其代謝，維持細(xì)胞存活。

為明確擬素化修飾抑制后ASCT2累積的機(jī)制，研究結(jié)合生物信息學(xué)和生化實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)ASCT2蛋白含有CRL3 E3泛素連接酶中接頭蛋白SPOP經(jīng)典結(jié)合基序，SPOP促進(jìn)ASCT2蛋白的K48連接的多聚泛素化降解，降低其穩(wěn)定性。有趣的是，SPOP自身的水平也受環(huán)境中谷氨酰胺的調(diào)節(jié)，在剝奪谷氨酰胺后，SPOP不能形式二聚體，觸發(fā)SPOP的自身泛素化降解，導(dǎo)致其底物ASCT2的累積。

在人體乳腺癌腫瘤組織樣本中發(fā)現(xiàn)，腫瘤組織SPOP低表達(dá)而ASCT2高表達(dá)，二者呈負(fù)相關(guān)性，并且SPOP低表達(dá)且ASCT2高表達(dá)的患者有較差的存活率；另外，從癌旁到癌組織，SPOP表達(dá)逐漸降低，而ASCT2表達(dá)逐漸增高。靶向代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，相比癌旁組織，乳腺癌組織中谷氨酰胺濃度降低。進(jìn)一步說(shuō)明包括乳腺癌在內(nèi)的多種腫瘤對(duì)谷氨酰胺有較高吸收和代謝，另一方面，腫瘤微環(huán)境中谷氨酰胺濃度會(huì)重塑谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)體ASCT2和其調(diào)控蛋白SPOP的水平，進(jìn)一步調(diào)節(jié)對(duì)谷氨酰胺的吸收和代謝。

鑒于抑制擬素化導(dǎo)致的細(xì)胞谷氨酰胺吸收和代謝對(duì)腫瘤細(xì)胞存活有保護(hù)作用，為了進(jìn)一步揭示靶向擬素化通路和細(xì)胞谷氨酰胺代謝對(duì)腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)的影響，研究者使用MLN492聯(lián)合ASCT2抑制劑V-9302，體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)及體內(nèi)腫瘤模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果均顯示同時(shí)靶向擬素化通路和谷氨酰胺吸收可顯著抑制腫瘤細(xì)胞增殖。這些研究結(jié)果為MLN4924聯(lián)合用藥提出了可行的方案。

圖示：在谷氨酰胺充足條件下，二聚化的SPOP與Cullin 3形成有活性的CRL3-SPOP E3泛素連接酶，促進(jìn)ASCT2的泛素化降解，維持正常的谷氨酰胺代謝；當(dāng)腫瘤發(fā)生時(shí)，由于SPOP突變或者低表達(dá)， CRL3-SPOP泛素連接酶活性減弱，致使ASCT2水平增加，促進(jìn)谷氨酰胺代謝；在谷氨酰胺匱乏環(huán)境中，GRK2被激活，促進(jìn)SPOP磷酸化，抑制SPOP二聚化并誘發(fā)其自身的泛素化，導(dǎo)致底物ASCT2的大量累積，促進(jìn)谷氨酰胺代謝。

孫毅教授團(tuán)隊(duì)的周啟銀博士為論文第一作者。孫毅教授和浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬邵逸夫醫(yī)院王嫻主任醫(yī)師為論文共同通訊作者。同時(shí)，該研究獲得了清華大學(xué)胡澤平研究員、浙江大學(xué)王林波主任醫(yī)師和金洪傳教授的大力支持。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30559-2

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