何丹等揭示甲硫氨酸氧化修饰促进胰腺癌转移的新机制

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尽管活性氧（reactive oxygen species，ROS）被认为与肿瘤的发展有关，其基本的生物学机理却知之甚少。除了作为不可逆地破坏蛋白质、核酸、脂质的“无选择性”的氧化剂之外，一些ROS，比如过氧化氢，能有“选择性”地通过对半胱氨酸残基进行可逆的氧化翻译后修饰来调节氧化还原通路【1】。事实上，已在胰腺导管腺癌（pancreatic ductal adenocarcinoma，PDA）中发现了利用特定位点的半胱氨酸残基所调控的氧化还原信号通路。超过 95% 的 PDA 具有 KRAS 原癌基因的致病突变，而突变的 KRAS 信号传导部分通过诱导 Nrf2 来驱动肿瘤发生【2】。Nrf2 的诱导表达维持了多个翻译调节因子中特定半胱氨酸位点的还原状态，进而维系原发性肿瘤生长【3】。因此，原发性 PDA 肿瘤的生长需要复杂的氧化还原信号机制，而不是“无选择”的氧化损伤。尽管如此，尚不清楚是否存在其他氧化还原信号机制有助于 PDA 的高转移潜能，从而导致与这种恶性肿瘤相关的不良预后。

与半胱氨酸相比，对另一种易于发生氧化修饰的氨基酸残基——甲硫氨酸的研究大为滞后。事实上，蛋白质上甲硫氨酸的氧化修饰受到一类甲硫亚砜还原酶Msr的调控。其中，甲硫亚砜还原酶A（methionine sulfoxide reductase A,MSRA）能够识别S-型的甲硫亚砜并将其还原为甲硫氨酸，从而实现甲硫氨酸氧化修饰的“擦除”，对其进行可逆调控。然而，由于缺乏靶向甲硫氨酸的化学探针，导致对甲硫氨酸介导的氧化还原信号通路，甲硫氨酸氧化修饰在癌症发生中的作用等一系列问题的认识严重不足。

2022年6月24日，来自UC Berkeley Christopher J. Chang 和Columbia University Irvine Medical Center Christine Chio 课题组联合在Molecular Cell上在线发表了文章Methionine oxidation activates pyruvate kinase M2 to promote pancreatic cancer metastasis，报道了甲硫亚砜还原酶A（methionine sulfoxide reductase A,MSRA）是胰腺导管腺癌PDA转移的抑制因子。研究发现了丙酮酸激酶PKM2上的功能性氧化还原开关，该开关由甲硫氨酸亚砜还原酶 MSRA 调节。MSRA 的缺失促进 PKM2 上甲硫氨酸氧化，进而促进线粒体的呼吸作用和细胞的转移。这些发现揭示了肿瘤发生发展中除氧化应激以外的更复杂的氧化还原信号传导机制。

通过对比正常人、患有胰腺癌、以及发生胰腺癌转移的病人样品，研究人员发现甲硫亚砜还原酶MSRA的表达量显著下调，表明它可能是一个胰腺癌转移的抑制因子。同时，在胰腺导管腺癌的小鼠模型以及三维类器官细胞培养（ex vivo organoid）模型上也观察到相同的表型。

研究人员接着利用Crisper-Cas9对MSRA进行敲低，通过小鼠以及organoid模型发现MSRA的敲低对细胞生长的影响微乎其微，却显著提高了细胞的转移性。研究人员进一步构建了强力霉素（doxycycline）诱导MSRA表达的PDA小鼠模型，发现喂养了强力霉素的小鼠没有出现癌转移，而对照组的小鼠每一只都出现了癌转移。

借助甲硫氨酸靶向的化学探针【4】，并结合定量蛋白质组学技术，研究人员对在肿瘤发展不同阶段建立的胰腺癌organoid模型进行了活性甲硫氨酸位点的表征，发现发生甲硫氨酸氧化的蛋白质集中于中心碳代谢（central carbon metabolism）相关的通路。结合Seahorse和同位素标记的葡萄糖示踪技术，研究人员发现MSRA敲低提高了PDA细胞线粒体的呼吸作用，而磷酸烯醇丙酮酸向丙酮酸的转化是这一代谢表型转化的关键节点。综合甲硫氨酸蛋白质组学、代谢组学，研究人员成功地鉴定到丙酮酸激酶是MSRA的下游底物，其239位的甲硫氨酸是MSRA作用的位点。

通过一系列生物化学实验，研究人员发现丙酮酸激酶239位甲硫氨酸的氧化促进了丙酮酸激酶向高活性四聚体的转化，从而提高了丙酮酸激酶的活性。在小鼠模型上，口服了丙酮酸激酶激活剂的小鼠表现出更高的PDA细胞转移性。

综上，该研究发现了一条甲硫氨酸介导的促进胰腺癌转移的氧化还原信号途径。这一MSRA-PKM2调控纽带重编程了代谢途径，将蛋白质上氧化翻译后修饰的调节与癌症代谢联系起来。

何丹博士为该工作的第一作者，冯绘锦为共同作者，Christopher J. Chang 和Christine Chio为共同通讯作者。

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2022.06.005

制版人：十一

参考文献

1. Paulsen, C.E. and K.S. Carroll, Cysteine-mediated redox signaling: chemistry, biology, and tools for discovery.Chem Rev, 2013. 113(7): p. 4633-79.

2. DeNicola, G.M., et al., Oncogene-induced Nrf2 transcription promotes ROS detoxification and tumorigenesis.Nature, 2011. 475(7354): p. 106-9.

3. Chio, I.I.C., et al., NRF2 Promotes Tumor Maintenance by Modulating mRNA Translation in Pancreatic cancer.Cell, 2016. 166(4): p. 963-976.

4. Lin, S., et al., Redox-based reagents for chemoselective methionine bioconjugation.Science, 2017. 355(6325): p. 597-602.

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