NRF2抗氧化通路的激活使肿瘤对G6PD抑制更敏感

责编 | 酶美

NRF2通路是细胞对抗氧化压力 (ROS) 的第一道防线【1】，通过一系列下游反应调控细胞的代谢【2-6】。KEAP1是NRF2的负调控因子，且是肺腺癌中最高频率突变的基因之一【7, 8】。KEAP1突变和NRF2的激活通过促进内源的抗氧化反应，促进细胞的发生发展【2-4】。此前纽约大学医学院Papagiannakopoulos实验室的研究表明Keap1缺失会强烈促进Kras驱动的肺腺癌发生【4】和转移【9】。大量最新临床数据表明，具有KEAP1突变的患者总生存率很低，且对放疗【10】、免疫疗法【7, 11】和化疗【7, 12, 13】没有反应。因此针对KEAP1/NRF2突变肺癌的精准治疗方案非常值得研究。

近日，Science Advances发表了Papagiannakopoulos实验室的最新研究：Activation of the NRF2 antioxidant program sensitizes tumors to G6PD inhibition。作者使用代谢基因文库进行了基于CRISPR/Cas9的筛选，以确定与Keap1突变的合成致死靶标基因，并发现G6PD（葡萄糖-6-磷酸脱氢酶）的缺失会选择性的杀伤KEAP1突变细胞。在多个体内模型中使用遗传和药理学方法，证明了KEAP1突变肿瘤对G6PD的选择性依赖。

为了探究G6pd（葡萄糖-6-磷酸脱氢酶）在自发肿瘤模型中的重要性，作者使用了多个肺腺癌小鼠模型，这些模型更好地再现了人类肺腺癌的异质性、组织学进展和肿瘤微环境，并观察到相同的表型。进一步的实验表明KEAP1突变肺癌细胞对G6PD的依赖并没有被还原剂或抗氧化剂所拯救。但通过补充三羧酸循环（TCA）前体，联合致死表型被逆转了。

NADPH是一种重要的氧化还原辅助因子，被用来还原氧化GSH和硫氧还蛋白,而磷酸戊糖途径 (PPP) 是NADPH的主要来源【14】，且G6PD是磷酸戊糖途径的限速酶。KEAP1突变的细胞对NADPH有更多的需求，而G6PD缺失会导致另外两个NADPH合成反应的催化酶：异柠檬酸脱氢酶（IDH）和苹果酸酶（ME）活性的补偿性增加，而这会进一步消耗TCA循环的中间产物。G6PD敲除的KEAP1突变细胞的代谢组分析显示TCA中间产物的显著耗尽，特别是IDH和ME的底物异柠檬酸和苹果酸，这导致G6PD缺失和KEAP1突变的联合致死。

此外，联合抑制G6PD和谷氨酰胺酶（CB-839）导致进一步的KEAP1突变的细胞和肿瘤的生长抑制。这些数据支持将谷氨酰胺酶和G6PD抑制的临床应用价值，尤其是针对KEAP1突变的肺腺癌这一临床需求尚未得到满足的亚型，也证明G6PD是一个值得深入研发的药物靶点(图1)。

图1. G6PD抑制和谷氨酰胺酶抑制剂会协同杀伤KEAP1突变细胞和肿瘤。G6PD抑制与谷氨酰胺酶抑制剂共同抑制细胞的葡萄糖代谢和呼吸的示意图（A）。在体外（B）和体内（C、D），KEAP1突变细胞和肿瘤对CB-839和G6PD抑制更加敏感。

纽约大学Grossman医学院Thales Papagiannakopoulos实验室的博士后丁宏宇为本文第一作者，普林斯顿大学Joshua Rabinowitz实验室的博士生陈梓鸿和Thales实验室的医学生Katherine Wu为共同第一作者。Thales实验室研究方向是研究肺癌高频突变的代谢基因（如NRF2/KEAP1、LKB1）是如何通过改变代谢途径，促进肿瘤的发生和发展；使用遗传学和生物化学方法的组合来确定可利用新型靶向代谢的精准治疗。自2015年实验室成立以来，针对NRF2/KEAP1突变的肺腺癌研究在Nature Medicine、Cell、Cell Metabolism等杂志上发表。

文章链接：

https://doi.org/10.1126/sciadv.abk1023

制版人：十一

参考文献

1. W. L. Wu, T. Papagiannakopoulos, The Pleiotropic Role of the KEAP1/NRF2 Pathway in Cancer. Annual Review of Cancer Biology 4, 413-435 (2020).

2. G. M. DeNicola et al., Oncogene-induced Nrf2 transcription promotes ROS detoxification and tumorigenesis. Nature 475, 106-109 (2011).

3. Y. Mitsuishi et al., Nrf2 redirects glucose and glutamine into anabolic pathways in metabolic reprogramming. Cancer Cell 22, 66-79 (2012).

4. R. Romero et al., Keap1 loss promotes Kras-driven lung cancer and results in dependence on glutaminolysis. Nat Med 23, 1362-1368 (2017).

5. V. I. Sayin et al., Activation of the NRF2 antioxidant program generates an imbalance in central carbon metabolism in cancer. eLife 6, (2017).

6. S. E. LeBoeuf et al., Activation of Oxidative Stress Response in Cancer Generates a Druggable Dependency on Exogenous Non-essential Amino Acids. Cell Metab 31, 339-350 e334 (2020).

7. K. C. Arbour et al., Effects of Co-occurring Genomic Alterations on Outcomes in Patients with KRAS-Mutant Non-Small Cell Lung Cancer. Clin Cancer Res 24, 334-340 (2018).

8. N. Cancer Genome Atlas Research, Comprehensive molecular profiling of lung adenocarcinoma. Nature 511, 543-550 (2014).

9. L. Lignitto et al., Nrf2 Activation Promotes Lung Cancer Metastasis by Inhibiting the Degradation of Bach1. Cell 178, 316-329 e318 (2019).

10. M. S. Binkley et al., KEAP1/NFE2L2 Mutations Predict Lung Cancer Radiation Resistance That Can Be Targeted by Glutaminase Inhibition. Cancer Discov 10, 1826-1841 (2020).

11. R. Cristescu et al., Pan-tumor genomic biomarkers for PD-1 checkpoint blockade-based immunotherapy. Science 362, (2018).

12. R. Frank et al., Clinical and Pathological Characteristics of KEAP1- and NFE2L2-Mutated Non-Small Cell Lung Carcinoma (NSCLC). Clin Cancer Res 24, 3087-3096 (2018).

13. F. Goeman et al., Mutations in the KEAP1-NFE2L2 Pathway Define a Molecular Subset of Rapidly Progressing Lung Adenocarcinoma. J Thorac Oncol 14, 1924-1934 (2019).

14. L. Chen et al., NADPH production by the oxidative pentose-phosphate pathway supports folate metabolism. Nat Metab 1, 404-415 (2019).

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