Nature：首次揭秘促进癌细胞转移的新机制或成新靶点 | 鹰谷靶点

摘要：科学家发现促进癌细胞转移的新机制, 为代谢异质性（Heterogeneity）在肿瘤转移中的研究打开新方向，或有机会成为新的靶点。

癌症是人类医学亟待解决的难题，肿瘤转移的形成是许多癌症患者死亡的主要原因。科学家们对癌细胞播种和定植的机制进行了广泛深入的研究，但对热门靶点探索的竞争较激烈，为此可能造成研究资源的浪费，也不易获得新的突破。从代谢的角度研究肿瘤转移的机制，对于大多数研究者来说是相对新颖的思路。

据已有研究报道，癌症的转移需要瞬时激活细胞程序，使其能够播散和种植到远处的器官。肿瘤在基因转录和翻译水平上的异质性支持了癌细胞的可塑性，动态地改变其表型状态，推动了转移的进展。但目前对于代谢异质性在癌细胞新陈代谢中的作用研究较少。

代谢与肿瘤转移的关系可概括为：细胞代谢支持肿瘤在原发和继发部位的生长，并促进肿瘤细胞在血流和远处的器官中存活。在原发性肿瘤中癌细胞异质性代谢是否是细胞转移差异的基础，仍需要深入阐明。

近日，来自比利时鲁汶大学癌症生物学中心（VIB-KU）的Sarah-Maria Fendt带领研究团队取得显著成果，他们发现代谢酶磷酸甘油酸脱氢酶 (PHGDH)的催化活性促进癌细胞增殖，但PHGDH蛋白的低表达非催化性地增强了癌症的扩散和转移形成，即PHGDH的异质性增强了癌细胞的传播和转移能力。相关研究成果已发表在Nature期刊上。

这项研究成果为代谢酶磷酸甘油酸脱氢酶(PHGDH)的异质性作为肿瘤侵袭性的标志提供了理论依据，同时促进了对代谢异质性在肿瘤转移中的进一步研究。

图1 文章封面截图

首先，研究人员在浸润性乳腺导管癌（TNBC）患者中发现PHGDH的表达具同质性且水平较高时更易发生原发性肿瘤，但有趣的是，其发生转移的可能性低于PHGDH异质性或低表达的肿瘤。即PHGDH蛋白的异质性和低表达预示着TNBC患者的肿瘤转移。

图2 PHGDH的异质性或低表达在原发肿瘤中的存在表明预后不良，但容易出现早期转移

PHGDH蛋白表达的降低是否会增加癌细胞的转移？在乳腺癌小鼠模型中，研究人员分析了三种TNBC PDX小鼠模型的循环肿瘤细胞（CTCs）中PHGDH蛋白的表达，发现CTCs和早期转移病灶富含PHGDH蛋白低表达的癌细胞，在原发肿瘤中沉默PHGDH会更容易发生转移。接下来，研究人员通过体外实验发现，PHGDH的沉默增加了迁移和侵袭以及癌细胞可塑性的分子标记。因此，PHGDH可以调节体外癌细胞的迁移和侵袭。

图3 在乳腺癌小鼠模型和体外实验中，PHGDH 的低表达增强了肿瘤转移

为了进一步确定PHGDH在肿瘤转移中的潜在机制，研究人员用基因集富集分析（GSEA）比较PHGDH沉默的4T1肿瘤细胞和对照组的RNA-seq和蛋白质组数据，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。结果发现尤其与整合素αvβ3功能相关。使用阻断抗体抑制整合素αvβ3功能，发现抑制了PHGDH沉默组4T1 和 EMT6.5 细胞侵袭，但不影响对照组。因此得出结论，低 PHGDH 表达通过整合素αvβ3功能诱导细胞侵袭。

图4 低表达PHGDH促进整合素αvβ3介导的侵袭和迁移

已知增加整合素αvβ3的唾液酸化会增强细胞迁移和侵袭[8]。唾液酸是由己糖胺-唾液酸途径产生的，该途径属于糖酵解分支。因此进行假设：己糖胺-唾液酸途径是由PHGDH沉默导致整合素αvβ3唾液酸化增加而诱导的。

研究人员从4T1细胞中分离了所有β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖蛋白以及唾液酸相关的蛋白，并对整合素β3亚单位αvβ3进行了免疫印迹分析。结果发现，在PHGDH沉默的细胞中表达了更多的整合素β3，糖基化程度更高。通过沉默N-酰神经氨酸胞苷转移酶来阻断己糖胺-唾液酸途径，阻止了PHGDH沉默的4T1细胞中整合素β3糖基化的增加。因此得出了结论：氨基己糖-唾液酸途径将低表达的PHGDH与整合素αvβ3唾液酸化偶联。

那么PHGDH的沉默如何具体影响己糖胺-唾液酸途径？

研究人员在定位和动态13C6-葡萄糖示踪的基础上评估了磷酸果糖激酶（PFK）的活性。结果发现，在PHGDH沉默后，更少的磷酸果糖激酶PFKP位于肌动蛋白细丝，PFK活性降低。因此得出结论，PHGDH与PFKP相互作用，PHGDH沉默后，PFK活性降低。

接下来将PHGDH沉默的细胞(表达Dendra)和PHGDH沉默的细胞(过度表达野生型或非催化活性的PHGDH (表达mCerulean))的混合物注射到小鼠的乳房脂肪垫中，并进行活体成像。结果发现，在每个成像区域，过量表达野生型或非催化活性PHGDH的PHGDH沉默细胞显示出比对照PHGDH沉默细胞更少位移。同时，与对照4T1细胞相比，来自PHGDH沉默的4T1细胞的肿瘤，而不是那些过表达催化失活或野生型PHGDH的4T1细胞的肿瘤，显示出早期肺转移灶的数量增加。根据这些数据，研究人员得出结论，PHGDH蛋白的沉默，而不是其催化功能的丧失，推动了癌细胞的转移。

图5 PHGDH与PFKP相互作用，这种相互作用的丧失以非催化的方式推动肿瘤转移扩散

因此可以推测出 PHGDH 的“兼职”功能：1. 稳定结合PFK；2. 确保在PFK下游持续供应丝氨酸合成所必需的糖酵解中间体3-磷酸甘油酸（3PG）。

总而言之，在本研究中研究者首次发现PHGDH与PFKP相互作用，并且这种相互作用的丧失激活了己糖胺-唾液酸途径，该途径为蛋白质糖基化提供了前体。因此，PHGDH的低表达会发生异常的蛋白质糖基化，包括增加整合素αvβ3的唾液酸化。虽然PHGDH的催化活性促进癌细胞增殖，但低PHGDH蛋白表达以非催化的方式增强了癌细胞的扩散和转移形成。因此，原发性肿瘤中PHDGH异质性的存在可以被认为是肿瘤侵袭性的标志。

更广泛地说，是否可以在肿瘤治疗上利用代谢异质性仍有待探索。如果 PHGDH 水平高的细胞依赖于它们制造丝氨酸的能力，而 PHGDH 水平低的细胞依赖于从细胞外获得的丝氨酸，那么将PHGDH 作为肿瘤治疗的可能靶点，即PHGDH抑制剂和丝氨酸饥饿的方法可能会协同作用以消除增殖和侵袭性癌细胞。

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