線粒體解耦連蛋白UCP2促進胰腺癌惡化的機制

2021-01-10 中國生物技術網

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:

1. Hensley, C. T., Wasti, A. T. & DeBerardinis, R. J. Glutamine and cancer: cell biology, physiology, and clinical opportunities.J. Clin. Invest.123, 3678–3684 (2013).

2. Altman, B. J., Stine, Z. E. & Dang, C. V. From Krebs to clinic: glutamine metabolism to cancer therapy.Nat. Rev. Cancer16, 619–634 (2016).

3. Ying, H. et al. Oncogenic Kras maintains pancreatic tumors through regulation of anabolic glucose metabolism.Cell149, 656–670 (2012).

4. Son, J. et al. Glutamine supports pancreatic cancer growth through a KRAS-regulated metabolic pathway.Nature496, 101–105 (2013).

5. Chakrabarti, G. et al. Targeting glutamine metabolism sensitizes pancreatic cancer to PARP-driven metabolic catastrophe induced by β-lapachone.Cancer Metab.3, 12 (2015).

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

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