在腫瘤/癌癥的發(fā)生發(fā)展的過程中，始終伴隨著代謝的重編程,。腫瘤細(xì)胞通過重編程營養(yǎng)物質(zhì)獲取方式和代謝途徑,，以滿足惡性細(xì)胞對生物能量，生物合成和氧化還原的需求,。而腫瘤代謝的研究一直是熱門領(lǐng)域,。

近日，來自比利時VIB-KU Leuven癌癥生物學(xué)中心的科學(xué)家們,，在頂級雜志《Nature》上報(bào)道了一篇題目為：Breast cancer cells rely on environmental pyruvate to shape the metastatic niche 的文章,。又一次把代謝物與腫瘤進(jìn)展的研究推至高潮。

丙酮酸是體內(nèi)產(chǎn)生的三碳酮酸, 它是糖酵解途徑的最終產(chǎn)物, 在細(xì)胞漿中還原成乳酸供能, 或進(jìn)入線粒體內(nèi)氧化生成乙酰CoA, 進(jìn)入三羧酸循環(huán), 被氧化成二氧化碳和水, 完成葡萄糖的有氧氧化供能過程,。丙酮酸還可通過乙酰CoA 和三羧酸循環(huán)實(shí)現(xiàn)體內(nèi)糖,、脂肪和氨基酸間的相互轉(zhuǎn)化, 因此, 丙酮酸在三大營養(yǎng)物質(zhì)的代謝聯(lián)系中起著重要的樞紐作用。

在2016年就發(fā)現(xiàn)了丙酮酸羧化酶的表達(dá)支持乳腺癌的肺轉(zhuǎn)移,，隨后又發(fā)現(xiàn)乳腺癌衍生的肺轉(zhuǎn)移顯示丙酮酸羧化酶依賴性的甲狀腺功能亢進(jìn)增加,。那當(dāng)丙酮酸羧化酶與乳腺癌的肺轉(zhuǎn)移有關(guān)系，追根溯源,，那么丙酮酸是否會有直接作用？這篇文章的作者,，用了大量翔實(shí)的實(shí)驗(yàn)論證了這個假設(shè),，認(rèn)為：丙酮酸可以促進(jìn)乳腺癌細(xì)胞對胞外基質(zhì)微環(huán)境的重構(gòu)，從而促進(jìn)了乳腺癌的肺轉(zhuǎn)移進(jìn)程,。

一篇好的文章就是一個好的故事,，而好的故事需要“關(guān)鍵結(jié)論”來串聯(lián)。本文就是通過以下四個“關(guān)鍵結(jié)論”,，拿下了這篇Nature,。接下來，為大家詳細(xì)解讀,。

首先丙酮酸作為細(xì)胞外的小分子物質(zhì),，是如何跟腫瘤的進(jìn)展發(fā)生關(guān)系的呢？作者認(rèn)為是通過細(xì)胞外基質(zhì)中的膠原蛋白,。相關(guān)研究表明,，腫瘤的轉(zhuǎn)移進(jìn)程中，細(xì)胞外基質(zhì)的產(chǎn)生和修飾發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,。腫瘤細(xì)胞可以通過誘導(dǎo)胞外的膠原蛋白羥基化而重構(gòu)胞外基質(zhì)微環(huán)境,，從而促進(jìn)自身的轉(zhuǎn)移性生長。

在這篇文章中，作者發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)只有丙酮酸的消耗才會損害乳腺癌細(xì)胞的三維生長,，而對二維生長只有輕微的影響,。而丙酮酸正是通過膠原蛋白的羥基化來驅(qū)動細(xì)胞外基質(zhì)的重塑。下圖就說明,，在多種人,、鼠乳腺癌細(xì)胞系中，丙酮酸的增加可以顯著提高膠原蛋白的羥基化,。所以第一個“關(guān)鍵結(jié)論”就是：丙酮酸通過誘導(dǎo)膠原蛋白羥基化來驅(qū)動細(xì)胞外基質(zhì)的重塑,，這導(dǎo)致膠原蛋白穩(wěn)定性增加。

接下來,，作者進(jìn)一步探討丙酮酸驅(qū)動膠原蛋白羥基化的機(jī)制,。他們假設(shè)在丙酮酸消耗后大量變化的代謝物可以將膠原蛋白羥化作用聯(lián)系起來。作者發(fā)現(xiàn),，在丙酮酸消耗后,，α-酮戊二酸，檸檬酸和蘋果酸的豐度降低,，但只有α-酮戊二酸會和丙酮酸一樣增加羥基化膠原的水平,。加之其他輔助實(shí)驗(yàn)，得到第二個“關(guān)鍵結(jié)論”：乳腺癌細(xì)胞吸收丙酮酸鹽后,，通過促進(jìn)了α-酮戊二酸的生成來驅(qū)動膠原蛋白羥基化,。

那丙酮酸代謝又是通過幾種代謝途徑與α-酮戊二酸發(fā)生關(guān)聯(lián)呢？最直接的代謝聯(lián)系是丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶（ALT）反應(yīng),，其將丙酮酸和谷氨酸轉(zhuǎn)化為α-酮戊二酸和丙氨酸,。通過測量ALT反應(yīng)代謝物中的13C分布，證明丙酮酸通過ALT轉(zhuǎn)化驅(qū)動α-酮戊二酸的產(chǎn)生,。

因?yàn)榱u脯氨酸可以穩(wěn)定膠原蛋白,，從而促進(jìn)腫瘤轉(zhuǎn)移性生長，其中重要的催化酶就是膠原脯氨?；?4-羥基化酶（P4HA）,，那α-酮戊二酸究竟是為底物脯氨酸的提供了碳供體，還是或通過酶動力學(xué)代謝活化P4HA呢,？

通過沉默吡咯啉-5-羧酸合酶（P5CS）抑制α-酮戊二酸轉(zhuǎn)化為脯氨酸并不能減少羥化膠原蛋白的產(chǎn)生從而排除了第一種機(jī)制,。所以作者研究了α-酮戊二酸是否可能是P4HA的代謝活化劑。代謝活化取決于代謝物底物和產(chǎn)物驅(qū)動的酶活性,，即高底物代謝物濃度通過代謝酶激活通量,，而高產(chǎn)物代謝物濃度具有抑制作用。因此,，如果α-酮戊二酸是P4HA活性的代謝活化劑,，則琥珀酸鹽作為反應(yīng)的副產(chǎn)物,，應(yīng)該損害P4HA活性。果然,，在乳腺癌成球細(xì)胞中加入琥珀酸鹽,，發(fā)現(xiàn)琥珀酸鹽顯著降低了羥基化膠原蛋白的豐度，而琥珀酸鹽上的α-酮戊二酸鹽則拯救了它,。由此得出第三條“關(guān)鍵結(jié)論”：α-酮戊二酸通過激活膠原脯氨?；?4-羥基化酶（P4HA），而促進(jìn)膠原蛋白的羥基化修飾,。

最后,，作者使用兩種不同的轉(zhuǎn)移到肺部的乳腺癌小鼠模型研究了已建立的機(jī)制是否發(fā)生在轉(zhuǎn)移性生態(tài)位中。通過在小鼠轉(zhuǎn)移生態(tài)模型中,，抑制抑制丙酮酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2（Mct2）來抑制丙酮酸的攝取,，發(fā)現(xiàn)可以顯著地阻斷了胞外膠原蛋白的羥基化修飾水平，并最終抑制了乳腺癌細(xì)胞在多種小鼠模型中的肺轉(zhuǎn)移率,；而添加α-酮戊二酸在MCT2抑制后卻可恢復(fù)羥基化膠原的豐度,。因此得出第四個“關(guān)鍵結(jié)論”：肺轉(zhuǎn)移生態(tài)位中的乳腺癌細(xì)胞依賴于丙酮酸來驅(qū)動基于膠原蛋白的ECM重塑，靶向丙酮酸攝取可以使肺轉(zhuǎn)移生態(tài)位中的異常膠原重塑正?；?，從而損害轉(zhuǎn)移性生長。

一句話總結(jié)

生化是個好東西,，你值得擁有,。

參考文獻(xiàn)

1. Breast cancer cells rely on environmental pyruvate to shape the metastatic niche. https:///10.1038/s41586-019-0977-x

2. Christen, S. et al. Breast cancer-derived lung metastasis show increased pyruvate carboxylase-dependent anaplerosis. Cell Rep. 17, 837–848 (2016).

3. Shinde, A., Wilmanski, T., Chen, H., Teegarden, D. & Wendt, M. K. Pyruvate carboxylase supports the pulmonary tropism of metastatic breast cancer. Breast Cancer Res. 20, 76 (2018).