穀氨醯胺(Gln)是一種豐富多能的營養物質,在腫瘤發生中能夠參與能量代謝、氧化還原穩態、大分子合成等過程【1】。線粒體Gln氧化後的主要產物為天冬氨酸(Asp)和蘋果酸(Mal),被運輸至胞質後,Asp用於核苷酸和蛋白質合成,Mal則用於生成NADPH參與還原性生物合成和細胞氧化還原穩態的調節【2】。
在胰腺導管腺癌(Pancreatic ductal adenocarcinoma,PDAC)發生過程中,致癌基因KRAS誘導的磷酸戊糖途徑的代謝重編程會促使Gln加劇消耗【3, 4】。而為滿足癌細胞對NADPH的需求,KRAS會觸發Gln代謝重組,此時線粒體Gln產生的Asp被運輸至胞質溶膠後轉化為草醯乙酸(OA)和Mal,並最終轉換為丙酮酸(Pyr)以生成更多的NADPH【5】。儘管這一途徑被廣泛研究,但Asp是如何從線粒體向外運輸的,以及參與該過程的載體分子仍不甚清楚。
近日,義大利巴裡大學Giuseppe Fiermonte教授和卡拉布裡亞大學Vincenza Dolce教授團隊在Nature Metabolism聯合發表題為KRAS-regulated glutamine metabolism requires UCP2-mediated aspartate transport to support pancreatic cancer growth的文章,發現線粒體解耦連蛋白UCP2介導的天冬氨酸運輸,在致癌基因KRAS重塑穀氨醯胺代謝過程中不可或缺,並且能夠促進胰腺癌的進展和惡化,本研究揭示了UCP2是胰腺癌治療中潛在的重要作用靶點。
此前研究中作者團隊發現細菌表達的線粒體解偶聯蛋白(uncoupling protein 2,UCP2)能夠在人工合成的脂質囊泡中催化Asp與膜對側的磷酸和質子的交換【6】,且UCP2轉錄水平在巨噬細胞和HepG2細胞Gln氧化過程中上調,在PDAC中存在過表達。因此,作者在本研究中意圖驗證UCP2是否能夠作為線粒體載體參與Asp外流。
首先,作者在四種PDAC細胞系中(兩種KRASmut細胞系Patu8988T和Panc1,以及兩種KRASWT細胞系BxPC3和KP2)探究了UCP2在PDAC Gln代謝重編程過程中的功能。研究發現UCP2沉默會顯著降低兩種KRASmut細胞的增殖率以及群落生成能力,而在兩種KRASWT細胞系中則不然。在培養基中補充Asp能夠顯著恢復增殖缺陷,表明UCP2沉默耗盡了細胞質Asp。有趣的是,補充穀氨酸Glu也能夠部分恢復這種增殖缺陷,作者因此推測Glu可能通過Asp/Glu載體 (AGC1) 進入線粒體,並通過與Gln衍生的線粒體Glu相同的反應途徑產生Asp。作者發現AGC在四種細胞系中均有表達,UCP2沉默並不影響其表達水平,表明Asp通過AGC的輸出依賴於Glu的進入。
進一步研究發現,補充還原性穀胱甘肽(GSH)或N -乙醯半胱氨酸 (NAC) 能夠完全恢復UCP2缺失誘發的生長缺陷,表明UCP2沉默導致KRASmut胞質中Asp的缺失,減少了GSH的可用性並改變了細胞氧化還原穩態。在KRASmut細胞中,UCP2缺失導致穀胱甘肽/二硫化穀胱甘肽(GSH/GSSG)比值與NADPH/NADP+比值降低,以及ROS增加。隨後,作者分析了300個PDAC腫瘤樣品以及43種PDAC細胞系的基因表達譜,發現UCP2表達與GSH代謝、NADH或NADPH相關氧化還原酶活性、胞內氧化應激反應以及ROS代謝相關基因顯著相關。為進一步研究UCP2缺失導致PDAC細胞的代謝變化,作者用13C標記Gln作為示蹤物進行靶向代謝組學分析,發現無論在KRASWT還是KRASmut細胞中,UCP2缺失均致使Gln衍生代謝物在細胞器組分中積聚,而在胞質溶膠中降低,表明UCP2依賴性的活性喪失抑制了穀氨醯胺的分解代謝。以上結果表明了UCP2在Gln代謝中發揮至關重要的作用,且Gln在KRASmut而非KRASWT細胞中的氧化還原穩態中具有關鍵調節功能。
由於哺乳動物細胞系中的代謝網絡系統複雜,作者選擇在酵母中探究UCP2作為線粒體Asp載體的功能,結果發現UCP2能夠在體內作為Asp/磷酸+質子的轉運載體。而後,作者在小鼠腫瘤細胞移植瘤模型中探究了UCP2缺失的影響,發現在移植兩種KRASmut細胞系的小鼠中,UCP2缺失能夠顯著抑制腫瘤的生長(圖1),且GSH/GSSG比值與NADPH/NADP+比值降低,表明UCP2在KRASmut細胞中的氧化還原穩態調節中發揮關鍵作用。
圖1 UCP2缺失抑制了移植KRASmutPatu8988T細胞系腫瘤的增長
為探究KRAS突變與UCP2功能依賴之間的因果關係,作者在Patu8988T和BxPC3細胞系中構建了KRASG12V突變體,發現其中UCP2的轉錄和蛋白表達水平均未改變,而細胞增殖率以UCP2依賴性方式升高,表明KRAS突變並不能影響UCP2的表達,而UCP2在KRAS突變誘導的細胞增殖中發揮了促進作用。
綜上,該研究揭示了線粒體解偶聯蛋白UCP2能夠作為線粒體轉運載體,在KRAS重塑穀氨醯胺代謝中能夠催化線粒體天冬氨酸的外流。此外,UCP2在胞內ROS代謝中的作用與其底物轉運功能有關,而非其解耦聯活性。由UCP2依賴性交換反應產生的線粒體磷酸濃度增加,能夠激活磷酸鹽依賴性的穀氨醯胺酶GLS(圖2)。UCP2在多種腫瘤發生過程中表達上調並受到Gln的嚴格調控,UCP2作為治療PDAC以及其他Gln依賴性癌症的代謝靶點未來可期。
圖2 PDAC中KRAS缺失突變誘導的Gln代謝重組
原文連結:
https://doi.org/10.1038/s42255-020-00315-1
參考文獻:
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6. Vozza, A. et al. UCP2 transports C4 metabolites out of mitochondria, regulating glucose and glutamine oxidation.Proc. Natl Acad. Sci. USA111, 960–965 (2014).
來源:BioArt