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Science丨酸性环境主导塑造癌细胞代谢网络

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撰文|林无隅

恶性肿瘤的快速生长使癌细胞暴露于复杂且不稳定的代谢微环境中,包括缺氧、营养匮乏、代谢废物积累以及酸化。癌细胞能够在这些不利条件下存活和增殖,依赖于其高度的代谢可塑性和应激适应能力【1-3】。目前,对于单一代谢胁迫(如低氧或营养缺乏)的反应机制已有较深入研究【4】,但在体内,癌细胞往往同时面对多种代谢压力,这些应激之间的交互作用尚不清楚【5】。因此,理解癌细胞如何整合应对多种代谢应激,以及哪种应激在体内最具决定性意义,成为该领域亟待解决的问题。

近日,德国癌症研究中心和海德堡大学分子生物学中心联盟Johannes ZuberWilhelm Palm在Science杂志发表了

Acidosis orchestrates adaptations
of energy
metabolism in tumors
的研究文章。研究人员设计了一种顺序式 CRISPR 筛选策略,首先在体外多种代谢应激条件下进行全基因组筛选,随后在小鼠原位胰腺癌模型中进行体内聚焦筛选,以系统识别驱动肿瘤内癌细胞适应性的关键代谢调控基因。通过比较体内外筛选结果,研究发现体内肿瘤的基因依赖性最接近体外乳酸处理条件下的模式,提示酸化是塑造肿瘤细胞代谢状态和适应力的核心因素。进一步机制研究揭示,酸性环境通过抑制细胞质ERK活性,降低DRP1的磷酸化水平,从而抑制线粒体分裂并促进融合,重编程癌细胞代谢以增强在营养匮乏下的生存能力。

研究者首先在胰腺癌细胞中,在低葡萄糖、低氨基酸、低氧、乳酸积累等多种代谢应激条件下进行了全基因组 CRISPR 筛选,识别出不同条件下调控细胞存活的关键基因。随后整合分析发现,各种应激条件下的基因依赖谱差异显著。为了验证体内环境最接近哪种体外应激状态,作者将筛选中获得的候选基因构建为聚焦 sgRNA 文库,并在小鼠胰腺原位肿瘤模型中进行体内筛选。结果显示,体内肿瘤的基因依赖模式与乳酸处理组最为相似,提示肿瘤内酸性环境是关键代谢应激因素。

研究人员进一步分离了乳酸的代谢底物效应与酸化效应,证明低 pH 环境而非乳酸分子本身是引起代谢改变的决定性因素。代谢通量分析显示,酸性条件下细胞糖酵解水平下降,而线粒体呼吸增强,葡萄糖利用减少,脂肪酸、乙酸和谷氨酰胺氧化增加。功能抑制实验表明,在酸性环境中抑制糖酵解对细胞存活影响较小,而抑制线粒体呼吸显著降低细胞存活率,说明酸化促使癌细胞依赖氧化代谢维持能量供给。

作者发现酸性环境特异性抑制细胞质 ERK 的活性,从而降低 DRP1 的磷酸化水平,导致线粒体分裂受阻并促进线粒体融合。通过构建活性型 DRP1 突变体或敲除线粒体融合相关蛋白(如 OPA1、MFN1),可逆转酸性诱导的线粒体融合与代谢重编程,并抑制酸性肿瘤环境中的细胞生长。此外,通过基因操作降低肿瘤酸度(如敲除乳酸脱氢酶 Ldha)可改变细胞对糖酵解与氧化代谢的依赖,进一步证明 pH 是调控肿瘤代谢适应的关键因素。

综上所述,该团队过顺序式CRISPR筛选结合代谢机制研究,系统揭示了酸化是体内肿瘤代谢适应的核心驱动力,其通过ERK–DRP1通路调控线粒体融合并促进氧化代谢。这一研究首次在体内层面明确了肿瘤酸化不仅是代谢副产物,而是主动塑造癌细胞代谢网络的重要信号因素。该发现为理解肿瘤微环境与代谢重编程的关系提供了新的理论基础,并提示针对酸性肿瘤环境的新型治疗方向,例如抑制线粒体融合或阻断氧化代谢可能更有效。此外,该研究也提示临床使用的 MEK/ERK 抑制剂可能意外促进线粒体融合和氧化代谢状态,从而影响治疗耐药性。

https://doi.org/10.1126/science.adp7603

制版人: 十一

参考文献

1. L. W. S. Finley, What is cancer metabolism?Cell186, 1670–1688 (2023). doi: 10.1016/j.cell.2023.01.038; pmid: 36858045

2. A. Muir, L. V. Danai, M. G. Vander Heiden, Microenvironmental regulation of cancer cell metabolism: Implications for experimental design and translational studies.Dis. Model.Mech. 11, dmm035758 (2018). doi: 10.1242/dmm.035758; pmid: 30104199

3. N. N. Pavlova, J. Zhu, C. B. Thompson, The hallmarks of cancer metabolism: Still emerging.Cell Metab.34, 355–377 (2022). doi: 10.1016/j.cmet.2022.01.007; pmid: 35123658

4. M. V. Liberti, J. W. Locasale, The Warburg Effect: How Does it Benefit Cancer Cells?TrendsBiochem. Sci.41, 211–218 (2016). doi: 10.1016/j.tibs.2015.12.001; pmid: 26778478

5. R. J. DeBerardinis, N. S. Chandel, Fundamentals of cancer metabolism.Sci. Adv.2, e1600200 (2016). doi: 10.1126/sciadv.1600200; pmid: 27386546

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