代谢异质性或决定癌细胞转移能力

撰文 | 言笑

编者按：不能简单的按照非黑即白的思维判定某个蛋白在肿瘤发生发展中的作用，有些看似冲突的结论需要更加细微的研究，这个工作提醒我们蛋白“尸体”而不是酶活发挥了重要的看似与过去研究矛盾的作用。

癌症转移（Cancer metastasis）是指部分肿瘤细胞从原位病灶脱离，通过淋巴管、血管或体腔等循环途径，到达局部淋巴结或远处的组织、器官，并在该处继续生长的这一过程。癌症转移需要细胞程序的短暂激活，以便在远端器官中传播和播种（dissemination and seeding）【1】。肿瘤的遗传、转录和翻译异质性有助于这一动态过程【2-3】。然而，研究人员在肿瘤中也观察到了代谢异质性【4】，但其在癌症进展中的作用在很大程度上仍不清楚。

日前，来自比利时鲁汶VIB-KU癌症生物学中心的Sarah-Maria Fendt团队在Nature杂志上在线发表了题为PHGDH heterogeneity potentiates cancer cell dissemination and metastasis的文章，揭示了代谢异质性在肿瘤进展中的作用。研究人员发现磷酸甘油酸脱氢酶（phosphoglycerate dehydrogenase,PHGDH）的丢失增强了肿瘤的转移性播散。虽然PHGDH的催化活性支持癌细胞增殖，但低PHGDH蛋白表达（与催化活性无关）可增强癌症播散和转移。因此，原发性肿瘤中PHDGH异质性的存在有可能成为肿瘤侵袭性的标志。

PHGDH在 70% 的三阴性乳腺癌（triple-negative breast cancers, TNBCs，雌激素受体（ER）、孕激素受体（PR）和原癌基因Her-2均为阴性的乳腺癌）和一些其他癌症（如黑色素瘤）中过度表达和/或增强，其催化活性对癌症增殖很重要【5-6】。作者研究了129例浸润性人乳腺导管癌中PHGDH蛋白表达的肿瘤内异质性（intratumor heterogeneity）。67%（87/129）的肿瘤表现出均一的PHGDH高表达，33%表现出PHGDH异质性（29/129）或低（13/129）表达。与同质性表达PHGDH的肿瘤相比，异质性/低PHGDH表达肿瘤患者的中位无病（Median disease-free）生存期和无转移（metastasis-free）生存期分别降低了约2.9和3.2倍。之前的研究显示，低PHGDH表达与较短的总生存期相关【7】，这与该研究队列中的相应趋势一致。这些数据表明，异质性/低 PHGDH 表达可以指示 TNBCs 患者的肿瘤转移。

循环肿瘤细胞（circulating tumor cells, CTCs, 进入人体外周血的肿瘤细胞，1869年由澳大利亚籍医生Ashworth首次提出）与转移起始能力有关【8】。因此，作者分析了三种 TNBC PDX 小鼠模型CTCs中PHGDH蛋白表达情况。与相应的原发性肿瘤相比，CTCs中PHGDH蛋白表达的中位数降低了2.5至10.7倍。随后，作者检测了早期转移性灶中PHGDH的平均表达。与匹配的原发乳腺肿瘤相比，淋巴结转移灶中的PHGDH蛋白表达较低。进一步，作者分析了PHGDH蛋白在PDX小鼠模型肺转移中的两个时间点的表达。结果显示，与晚期转移病变相比，早期转移性灶的PHGDH蛋白表达较低。那么是什么诱导癌细胞中PHGDH蛋白的流失呢？作者重点关注了与肿瘤异质性相关的基质细胞（stromal cells）和特定的内皮细胞（endothelial cells）。将4T1和EMT6.5细胞与Bend3永生化小鼠内皮细胞共同培养。内皮细胞的存在显著降低了4T1和EMT6.5细胞中PHGDH蛋白的表达。

接下来，作者采用活体成像探究了PHGDH蛋白表达的丢失是否会增加癌细胞的播散。将对照4T1细胞和PHGDH沉默（Phgdh-silenced）细胞混合后注射到小鼠的乳腺脂肪垫中。在每个成像区域内，评估相同数量的随机选择的对照和Phgdh-silenced细胞的迁移行为。与对照组相比，Phgdh-silenced细胞群中的迁移细胞数量显着增加。在迁移细胞群中，Phgdh-silenced细胞表现出更高的位移。作者还分析了4T1和EMT6.5乳腺癌小鼠模型中PHGDH沉默后早期转移性肺部病变的数量。与对照组相比，PHGDH沉默增加了早期转移性肺病变的数量，而原发性肿瘤肿块无明显变化。

通过对Phgdh-silenced 4T1癌细胞与对照细胞的 RNA-seq 和蛋白质组学数据，以及来自与 Bend3 内皮细胞共培养的 4T1 和 EMT6.5细胞的 RNA-seq 数据进行基因集富集分析 (GSEA)，作者找到了PHGDH的潜在靶点整合素（integrin）αvβ3。作者使用阻断抗体抑制integrin αvβ3的功能，发现PHGDH沉默后，细胞的侵袭能力受损，表明低表达PHGDH通过integrin αvβ3诱导细胞侵袭。从4T1细胞中分离出所有β-1,4-N-乙酰葡糖胺和唾液酸连接的蛋白质，并检测integrin αvβ3的β3亚基。作者发现，PHGDH丢失后，integrin αvβ3糖基化增加；阻断己糖胺-唾液酸途径可以阻止Phgdh-silenced 4T1细胞中integrin αvβ3糖基化的增加。因此，己糖胺-唾液酸（hexosamine-sialic acid）途径将PHGDH低表达与integrin αvβ3唾液酸化（sialylation）相结合。进一步，作者用 tunicamycin、唾液化抑制剂 Lith-O-Asp2以及 Cmas 和 Phgdh 联合丢失可以将 Phgdh-silenced诱导的侵袭能力降低到对照细胞的近似水平，表明靶向唾液酸化可以抵消PHGDH丢失引起的转移性播散的增加。

最后，作者探究了PHGDH如何影响hexosamine-sialic acid通路。PHGDH沉默后，位于肌动蛋白丝处的PFKP较少，与 PFK活性降低一致。随后作者发现，PHGDH与PFKP相互作用，PHDGH沉默后PFK活性降低。使用不影响蛋白质表达的PHGDH催化抑制剂PH-755，并在PHGDH的催化位点进行诱变。数据显示，对照 4T1 细胞的 PH-755 处理没有复制Phgdh-silenced 4T1 细胞的代谢谱。此外，野生型和催化失活的PHGDH的过表达可以挽救Phgdh-silenced诱导的代谢物谱、PFKP定位和integrin αvβ3 糖基化，表明抑制 PHGDH 的催化活性不会诱导体外侵袭。活体成像实验显示，与对照Phgdh-silenced群体相比，过表达野生型或催化失活PHGDH的Phgdh-silenced群体中的体内迁移细胞减少。此外，在每个成像区域中，过表达野生型或催化失活PHGDH的 Phgdh-silenced细胞表现出较低的位移。这些数据表明，PHGDH蛋白的缺失而不是其催化活性的失活驱动肿瘤转移性播散。

总的来说，该研究发现：（1）乳腺癌患者原发性肿瘤中的异质性/低PHGDH表达与无转移生存时间缩短有关；（2）CTCs和早期转移灶富含PHGDHlow癌细胞，在原发性肿瘤中沉默PHGDH会增加转移；（3）PHDGDH与PFKP相互作用，这种相互作用的丧失激活了hexosamine-sialic acid通路，造成蛋白质糖基化异常（如integrin αvβ3唾液酸化增加），从而增强细胞迁移和侵袭（图1）。有大量文献表明，PHGDH活性增加对癌细胞增殖很重要【9-10】。因此，PHGDH基因的平均高表达与多种肿瘤类型的预后不良有关。该研究通过表明异质性/低PHGDH蛋白表达与乳腺癌患者转移增加有关，为PHGDH的生物学增加了新的理解。这一发现与以前的数据并不矛盾，但强调了基因和蛋白质表达差异调控的重要性。此外，作者认为PHGDH基因表达增加或扩增的肿瘤可能更具侵袭性，因为它们可以通过调节PHGDH蛋白表达在增殖和转移播散之间切换，从而导致肿瘤内异质性。

图1. PHGDHlow细胞增加原发性肿瘤转移性播散的机制示意图。

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04758-2

制版人：十一

参考文献

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2. Vitale, I., Shema, E., Loi, S. & Galluzzi, L. Intratumoral heterogeneity in cancer progression and response to immunotherapy.Nat. Med.27, 212-224 (2021).

3. Lüönd, F., Tiede, S. & Christofori, G. Breast cancer as an example of tumour heterogeneity and tumour cell plasticity during malignant progression.Br. J. Cancer125, 164-175 (2021).

4. Bergers, G. & Fendt, S. M. The metabolism of cancer cells during metastasis.Nat. Rev. Cancer21, 162-180 (2021).

5. Locasale, J. W. et al. Phosphoglycerate dehydrogenase diverts glycolytic flux and contributes to oncogenesis.Nat. Genet. 43, 869-874 (2011).

6. Possemato, R. et al. Functional genomics reveal that the serine synthesis pathway is essential in breast cancer.Nature476, 346-350 (2011).

7. Noh, S., Kim, D. H., Jung, W. H. & Koo, J. S. Expression levels of serine/glycine metabolism-related proteins in triple negative breast cancer tissues.Tumour Biol.35, 4457-4468 (2014).

8. Pascual, G. et al. Targeting metastasis-initiating cells through the fatty acid receptor CD36.Nature541, 41-45 (2017).

9. Ma, C. et al. The alternative activity of nuclear PHGDH contributes to tumour growth under nutrient stress.Nat. Metab.3, 1357-1371 (2021).

10. Baksh, S. C. et al. Extracellular serine controls epidermal stem cell fate and tumour initiation.Nat. Cell Biol.22, 779-790 (2020).

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