HNF4α調節含硫胺基酸代謝並決定肝癌對甲硫氨酸限制的敏感性

作為一種含硫胺基酸，甲硫氨酸是人體必需胺基酸，只能從食物特別是動物蛋白中獲取。已有研究表明，限制甲硫氨酸不僅在動物中有延長壽命、降脂和增強胰島素敏感性的功效【1-3】，還可能對多種癌症有抑制作用【4-6】。但是，不同的癌症細胞對甲硫氨酸有不同依賴性【7】，對甲硫氨酸限制也有不同反應，其中的分子機制尚不清楚。

肝臟是代謝含硫胺基酸的主要器官，負責代謝50%以上食源甲硫氨酸。通過肝腺苷轉移酶1A（MAT1A），進入肝臟的甲硫氨酸被轉化成S-腺苷甲硫氨酸，再經過轉甲基和水解反應形成同型半胱氨酸，接著三甲基甘氨酸-同型半胱氨酸S-甲基轉移酶 （BHMT）催化其甲基化返還為甲硫氨酸。同型半胱氨酸還可進入轉硫通路，通過胱硫醚β合成酶（CBS）和胱硫醚γ裂解酶 （CTH）形成胱硫醚、半胱氨酸和硫化氫。半胱氨酸還可用於產生還原型穀胱甘肽，或通過半胱氨酸雙加氧酶（CDO1）形成牛磺酸（圖1）。因此，甲硫氨酸不僅用於蛋白質合成，而且在調控含硫胺基酸代謝、維持氧化還原穩態以及信號傳導等方面也發揮重要作用【8】。

圖1 哺乳細胞中的含硫胺基酸代謝通路。

早期研究發現，許多與含硫胺基酸相關的代謝酶在肝腫瘤中表達下降，並且這種下降與腫瘤的惡性程度以及不良預後都有關係。含硫胺基酸代謝在肝癌中失調意味著甲硫氨酸限制有可能成為潛在肝癌治療手段，但目前對這種失調的分子機制並不了解，甲硫氨酸限制是否可以用於肝癌治療或增加現有療法的敏感性值得探索。

2020年8月7日，美國國立衛生研究院環境健康科學研究所(NIEHS)李小玲（Xiaoling Li）研究組，聯合該所生物統計和計算生物學的李樂平（Leping Li）研究組和質譜平臺主任Jason Williams，以及杜克大學Jason Locasale教授和上海交通大學醫學院童雪梅教授等，在Nature Communication雜誌上發表題為HNF4α regulates sulfur amino acid metabolism and confers sensitivity to methionine restriction in liver cancer的研究論文。該研究通過一系列生物信息、分子和代謝分析以及細胞和小鼠實驗，揭示含硫胺基酸代謝和肝細胞核因子4A（HNF4α）之間的關係。HNF4α是肝臟的一個重要轉錄因子，調節多種肝臟基因表達，並對肝細胞和肝功能特性有決定作用【9, 10】。HNF4α表達在肝癌中下降，被普遍認為是一個腫瘤抑制基因，並可能抑制上皮間質轉化 （EMT）。此項研究表明，HNF4α調節含硫胺基酸代謝，並在肝癌對甲硫氨酸限制的敏感性中發揮決定性作用。

研究人員通過對肝癌細胞和腫瘤資料庫的聚類分析，證實在肝癌中，從表達水平來看，含硫胺基酸代謝酶包括MAT1A、 BHMT、CBS、CTH 和CDO1，與HNF4α呈正相關，而與間質細胞標誌蛋白呈負相關。染色質免疫沉澱和螢光素酶報告實驗顯示，HNF4α調控含硫胺基酸代謝酶轉錄。與富含HNF4α的上皮肝癌細胞相比，間質肝癌細胞幾乎不表達HNF4α，細胞內具有不同的含硫胺基酸代謝產物，並對甲硫氨酸限制以及Sorofenib引起的細胞死亡顯示抗性。敲除上皮肝癌細胞內的HNF4α直接導致含硫胺基酸代謝酶降低，細胞內含硫胺基酸代謝變得與間質肝癌細胞相似，特別是與未敲除細胞相比，轉硫通路產物包括胱硫醚、牛磺酸和硫化氫的含量顯著降低。並且，上皮標誌基因表達下降，間質標誌基因表達上升，細胞遷移性增加， 並對甲硫氨酸限制和Sorofenib引起的細胞死亡抗性增加。小鼠腫瘤移植實驗也顯示，低甲硫氨酸食物可抑制上皮肝癌細胞腫瘤生長，而對敲除HNF4α的上皮肝癌細胞腫瘤作用甚微。此外，敲除上皮肝癌細胞內的單個含硫胺基酸代謝酶，在EMT、細胞遷移及抗性方面，與敲除HNF4α作用相似。反之，從基因和代謝方面恢復轉硫通路顯著緩解HNF4α不足造成的影響（圖2）。

圖2 HNF4α調節含硫胺基酸代謝從而影響EMT並決定肝癌對甲硫氨酸限制的敏感性

此項研究表明，從飲食上限制甲硫氨酸攝入，不管是單獨使用還是與Sorofenib聯用，都可能對肝癌產生治療效果。病人腫瘤內的HNF4α表達水平可作為生物學指標預測對甲硫氨酸限制的敏感性以及篩選臨床實驗候選人。

此項研究由美國國立衛生研究院環境健康科學研究所、杜克大學和上海交通大學醫學院等機構合作完成。美國國立衛生研究院環境健康科學研究所的代謝基因環境研究組的李小玲資深研究員為主通訊作者，該組的Biologist許青（Qing Xu）為第一作者，Staff ScientistIgor Shats為共同通訊作者。

原文連結：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-17818-w.pdf

參考文獻：

1. Orentreich, N., et al., Low methionine ingestion by rats extends life span.J Nutr, 1993. 123(2): p. 269-74.

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3. Ables, G.P., J.R. Hens, and S.N. Nichenametla, Methionine restriction beyond life-span extension.Ann N Y Acad Sci, 2016. 1363: p. 68-79.

4. Ables, G.P. and J.E. Johnson, Pleiotropic responses to methionine restriction. Exp Gerontol, 2017. 94: p. 83-88.

5. Gao, X., et al., Dietary methionine influences therapy in mouse cancer models and alters human metabolism. Nature, 2019. 572(7769): p. 397-401.

6. Sanderson, S.M., et al., Methionine metabolism in health and cancer: a nexus of diet and precision medicine. Nat Rev Cancer, 2019. 19(11): p. 625-637.

7. Stern, P.H., C.D. Wallace, and R.M. Hoffman, Altered methionine metabolism occurs in all members of a set of diverse human tumor cell lines. J Cell Physiol, 1984. 119(1): p. 29-34.

8. Mato, J.M., M.L. Martinez-Chantar, and S.C. Lu, Methionine metabolism and liver disease. Annu Rev Nutr, 2008. 28: p. 273-93.

9. Sladek, F.M., et al., Liver-enriched transcription factor HNF-4 is a novel member of the steroid hormone receptor superfamily. Genes Dev, 1990. 4(12B): p. 2353-65.

10. Sladek, F.M. and S.D. Seidel, Hepatocyte Nuclear Factor 4α. Nuclear Receptors and Genetic Diseases, 2001: p. 309-361.

來源：BioArt