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生命科學Life science
2020年11月2日，美國紐約大學醫學院的研究團隊在Cell Press細胞出版社旗下期刊Cell上發表了一篇新研究，題為"Neurons Release Serine to Support mRNA Translation in Pancreatic Cancer"，研究發現軸突-腫瘤代謝串擾是在營養不良環境中適應性促進PDAC生長的重要方式，這佐證了神經在PDAC發展過程中的促癌作用。
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摘要
胰腺導管腺癌（Pancreatic ductal adenocarcinoma，PDAC）的腫瘤微環境具有營養缺乏、可促結締組織增生以及由神經高度支配的特點。儘管神經元可以釋放刺激因子，加速PDAC腫瘤的發生，但是外周軸突的代謝作用尚有待研究。我們發現外周軸突會釋放絲氨酸，從而在絲氨酸/甘氨酸匱乏的條件下，促進外源絲氨酸依賴性PDAC腫瘤細胞的生長。絲氨酸缺乏導致六個絲氨酸密碼子中的兩個：TCC和TCT，發生核糖體停滯，並使得PDAC腫瘤細胞選擇性翻譯和分泌神經生長因子，從而促進腫瘤的神經支配。和這一機理相符，我們發現，在食物中不含甘氨酸/絲氨酸的條件下，小鼠的外源絲氨酸依賴性PDAC腫瘤細胞生長減緩，同時表現出較強的神經支配性。使用Trk-NGF抑制劑LOXO-101阻斷代償神經元神經支配，進一步減緩了PDAC的生長。我們的數據表明，軸突-腫瘤代謝串擾是在營養不良環境中適應性促進PDAC生長的重要方式。
神經性疼痛是胰腺導管腺癌（PDAC）患者的一種常見症狀，發展到一定程度就需要通過侵入性手術來緩解。臨床上大多數PDAC腫瘤表現出周圍神經浸潤的特點，導致患者預後不良。針對PDAC的遺傳分析表明軸突導向調節因子頻繁發生突變，提示神經元支持在腫瘤發生中的作用。此外，既往研究表明神經切除或用辣椒素破壞神經纖維可提升PDAC荷瘤小鼠的存活率，這佐證了神經在PDAC發展過程中的促癌作用。相關研究表明，來自背根神經節和交感神經的感覺神經元會加速PDAC腫瘤發生，而膽鹼能神經則抑制其生長。但是迄今為止，相關機制集中於神經營養因子或神經遞質的釋放。
PDAC的另一個典型特徵是極強的代謝可塑性，可通過上調清除途徑（例如自噬和巨噬細胞）或利用間質成纖維細胞和巨噬細胞釋放的代謝產物，來適應營養缺乏的環境。而既往研究表明神經元會釋放胺基酸衍生的神經遞質，例如甘氨酸和D-絲氨酸。這進一步表明，神經元可能在營養匱乏環境中通過外周軸突滿足PDAC細胞的代謝需求。但是，目前尚未有研究探索神經細胞在PDAC腫瘤中的代謝作用。
絲氨酸是一種有條件的必需胺基酸，可以從微環境中獲得或通過葡萄糖的絲氨酸生物合成途徑（Ser biosynthesis pathway，SBP）生成。絲氨酸也是人類蛋白質中含量第二高的胺基酸，可用於生成甘氨酸，而後者可用於合成蛋白質或穀胱甘肽。它還參與某些脂質的產生和葉酸循環，後者可生成核苷酸和甲基化單元合成所需的一碳單元。由於絲氨酸是多種代謝途徑所必需的，因此它可能成為多種癌症生長和存活的限速閥。但是，基因工程KPC模型小鼠的PDAC細胞可以上調SBP酶，並且對絲氨酸限制不敏感。目前尚不清楚人類PDAC細胞是否也可上調SBP或存在其他獲得細胞外絲氨酸的機制。
在這項研究中，我們探究了周圍軸突在營養缺乏環境中為PDAC細胞提供代謝支持的作用。我們發現了人類PDAC細胞系的一個子集，該子集缺乏SBP酶的表達，其生長有賴於外源絲氨酸。我們證明軸突可釋放絲氨酸等胺基酸，這一特性可在絲氨酸/甘氨酸缺乏的條件下支持外源絲氨酸依賴性PDAC細胞的生長。令人驚訝的是，絲氨酸缺乏會特異性地降低部分絲氨酸密碼子的mRNA翻譯效率，僅涉及六個絲氨酸密碼子中的兩個：TCC和TCT；絲氨酸缺乏還會導致細胞選擇性翻譯、分泌神經生長因子。與這些觀察結果一致的是，在無絲氨酸/甘氨酸飲食的情況下，小鼠的外源絲氨酸依賴性PDAC腫瘤較小，並且在絲氨酸受到限制時表現出更強的腫瘤神經支配。這些數據證實了PDAC和神經元之間存在代謝軸，可促進腫瘤在營養不良條件下生長。
核心發現
·神經軸突會向絲氨酸匱乏的環境中釋放包括絲氨酸在內的胺基酸。作者利用微流體設備培養小鼠背根神經節細胞並將其胞體與軸突隔離開來，模擬體內環境使腫瘤細胞僅與軸突接觸，結果發現軸突側培養基中多種胺基酸水平上升，包括絲氨酸（35%D-絲氨酸和65%L-絲氨酸）和甘氨酸。
·神經軸突在絲氨酸/甘氨酸缺乏環境中支持外源絲氨酸依賴性PDAC細胞生長。小鼠KPC PDAC細胞對絲氨酸/甘氨酸缺乏不敏感，而人類PDAC細胞在外源絲氨酸依賴性方面存在異質性，約40%的人PDAC細胞系在各種營養環境下完全依賴外源絲氨酸進行增值。在絲氨酸/甘氨酸缺乏的培養基中與神經軸突共培養時，外源絲氨酸依賴性PDAC細胞恢復了增長。
·PDAC細胞需要絲氨酸才能有效地進行mRNA翻譯，絲氨酸缺乏會選擇性地降低mRNA翻譯速率。
·絲氨酸缺乏降低了TCC和TCT絲氨酸密碼子的mRNA翻譯效率。作者構建了幾種不穩定的綠色螢光蛋白（GFPd2，半衰期為2小時）報告基因，將其中所有的絲氨酸密碼子都替換為六個絲氨酸密碼子中的一個。絲氨酸/甘氨酸缺乏降低了GFPd2螢光，而含有TCC和TCT絲氨酸密碼子的報告基因螢光下降程度最大。
·絲氨酸/甘氨酸缺乏條件下，PDAC細胞表現出了更強的神經浸潤。
·絲氨酸/甘氨酸飲食限制後，通過LOXO-101阻斷神經支配可降低小鼠的PDAC腫瘤負擔。為驗證神經細胞是否在絲氨酸缺乏條件下支持腫瘤生存或生長，作者將小鼠分為對照組和飲食中限制絲氨酸/甘氨酸的控制組，原位注射PDAC細胞後，再通過TRK受體抑制劑LOXO-101降低腫瘤神經支配。LOXO-101本身不影響PDAC增長或小鼠背根神經軸突在體外釋放絲氨酸的能力，也不影響血清絲氨酸/甘氨酸水平，但是接受LOXO-101處理後，實驗組小鼠腫瘤重量、增值和神經支配均出現下降。
相關論文信息
▌論文標題：
Neurons Release Serine to Support mRNA Translation in Pancreatic Cancer
▌論文網址：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)31322-2#%20
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.10.016
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