Nature丨磷酸甘油酸脱氢酶异常与癌细胞扩散和转移的关系
原创 珍奇 图灵基因 2022-06-13 07:03 发表于江苏
收录于合集#前沿分子生物学机制
撰文：珍奇
IF：49.962
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亮点：
本研究证实了异质性和低磷酸甘油酸脱氢酶（PHGDH） 蛋白表达与乳腺癌患者的转移增加有关，强调了基因和蛋白质表达差异调节的重要性，为PHGDH的生物学增加了新的理解水平。
癌症的转移及在远距离器官中传播需要细胞程序的瞬时激活，遗传、转录和翻译的异质性对这一动态过程的促进作用已得到阐明，但关于代谢异质性在癌症进展中的作用仍了解较少。2022年5月18日，比利时鲁汶大学Sarah-Maria Fendt研究团队于著名期刊《Nature》上发表了一篇名为“PHGDH heterogeneity potentiates cancer cell dissemination and metastasis”的研究性论文，本研究发现磷酸甘油酸脱氢酶 (PHGDH)的缺失会增强转移性传播。虽然 PHGDH 的催化活性支持癌细胞增殖，但低 PHGDH 蛋白表达非催化性地增强癌症传播和转移形成。因此，原发性肿瘤中 PHDGH 异质性的存在可作为肿瘤侵袭性的标志。
首先，研究人员调查了侵袭性人类乳腺导管癌中 PHGDH 蛋白表达的肿瘤内异质性，并使用免疫组织化学（IHC）方法使其可视化。他们观察到与表达均质 PHGDH 的肿瘤患者相比，异质性表达或低表达 PHGDH 的肿瘤患者生存时间有所减少，由此得出结论，异质性和低 PHGDH 蛋白表达表明三阴性乳腺癌（TNBC）患者存在转移。
慢循环肿瘤细胞与转移起始能力有关。因此，他们进一步研究了转移进展期间平均PHGDH 表达是否发生变化。我们分析了三种 TNBC PDX 小鼠模型（BCM-3107-R2TG18、BCM-3611-R3TG4 和 BCM-4272-R3TG6）的循环肿瘤细胞（CTC）中PHGDH 蛋白的表达，并将其与相应的原发性肿瘤中的表达进行比较。与相应的原发性肿瘤相比，三种PDX 模型的PHGDH蛋白表达降低了2.5至10.7倍。随后，他们在 4T1 乳腺癌小鼠模型和Tyr::NrasQ61K/°;Ink4a-/-;Dsred小鼠黑色素瘤模型中观察到 PHGDH 蛋白表达与肺转移大小之间的相关性。这表明 PHGDH 蛋白表达与转移大小相关，并且可能与增殖相关。因此，他们分析了两种不同 PDX 小鼠模型（BCM-3107-R2TG18 和BCM-4272-R3TG6）中两个时间点肺转移灶中 PHGDH 蛋白的表达。由此发现，与晚期转移性病变相比，早期转移性病变的 PHGDH 蛋白表达较低。
接下来作者探索了导致癌细胞中 PHGDH 蛋白丢失的原因。在排除了多个微环境条件后，他们发现高度血管化的 PDX 肿瘤区域具有低 PHGDH 蛋白表达，反之亦然。4T1 乳腺癌及Tyr::NrasQ61K/°;Ink4a-/-;Dsred 黑色素瘤细胞与内皮细胞的共同注射，降低了原发性肿瘤中 PHGDH 蛋白的表达并增加了转移区域。因此他们得出结论：高度血管化的肿瘤区域中的癌细胞表现出低 PHGDH 蛋白表达。
接下来他们使用了延时活体成像技术研究了 PHGDH 蛋白表达的丧失是否会增加癌细胞的传播，在每个成像区域内，对相同数量的随机选择的对照和 Phgdh 沉默细胞的迁移行为进行了评估。结果显示，与对照群体相比，Phgdh沉默群体中的迁移细胞数量显着增加。此外，在迁移种群中Phgdh沉默的细胞表现出更高的位移。因此，他们分析了 4T1和 EMT6.5 乳腺癌小鼠模型中 Phgdh 沉默后早期转移性肺病灶的数量，观察到Phgdh沉默增加了早期转移性肺病灶的数量。由此可得，Phgdh 沉默增加了体内传播和早期转移播种，但阻碍了转移增殖。
在TNBC 肿瘤中，整合素信号、通过 AP-1 的 OPN 信号、MMP 活性、细胞外基质降解、EMT 和指示 PHGDH 蛋白低表达的基因表达特征的基因集的单细胞富集评分都是相关的。其中，特别是整合素 αvβ3 功能与 EMT19、20、KRAS 信号 21、通过 AP-122 和MMP22 特征的 OPN 信号有关。因此，他们假设低 PHGDH 表达通过整合素 αvβ3 诱导细胞侵袭。在使用阻断抗体抑制了整合素 αvβ3 功能后，他们发现 Phgdh 沉默但不受控制的 4T1 和 EMT6.5 细胞的侵袭受损。由此得出结论，低 PHGDH 表达通过整合素αvβ3 功能诱导细胞侵袭。
整合素αvβ3共价添加唾液酸是已知的支持迁移和侵袭的唾液酸化过程。首先，他们假设己糖胺-唾液酸途径是由 Phgdh 沉默诱导，导致整合素 αvβ3 的唾液酸化增加。使用动态13C 示踪分析，他们确定了 Phgdh 沉默的 4T1 细胞中己糖胺-唾液酸途径的活性，并发现通过己糖胺-唾液酸途径的碳通量增加，在4T1细胞中Phgdh沉默后主要代谢物的水平增加。以上结果表明，低 PHGDH 表达激活乳腺癌细胞中的己糖胺-唾液酸途径，并通过实验验证发现己糖胺-唾液酸途径将低 PHGDH 表达与整合素 αvβ3 唾液酸化结合。
接下来他们进一步研究了PHGDH的损失如何引导通量进入己糖胺-唾液酸途径。结果表明，在 Phgdh 沉默后较少的 Pfkp 位于肌动蛋白丝上，Phgdh 和 Pfkp 之间存在蛋白质相互作用，这在 Phgdh 沉默后得到证实。因此得出结论：Phgdh 与 Pfkp 相互作用，并且在Phgdh 沉默后 Pfk 活性降低。他们随后使用了不影响蛋白质表达的 PHGDH 催化抑制剂，在 Phgdh 的催化位点进行诱变以防止催化活性与随后的催化失活或相应的野生型Phgdh 的过度表达相结合。数据显示野生型和催化失活的 Phgdh 的过表达挽救了由Phgdh 沉默诱导的代谢物谱、Pfkp 定位和整合素αvβ3 糖基化，这表明抑制 PHGDH 的催化活性不会诱导体外侵袭。接下来，他们将 Phgdh 沉默细胞（表达 Dendra）和过表达野生型或催化失活的 Phgdh（表达 mCerulean）的 Phgdh 沉默细胞混合注射到小鼠的乳腺脂肪垫中，并进行活体成像。与对照 4T1 细胞相比，来自 Phgdh 沉默的 4T1 细胞的肿瘤早期肺转移性病变的数量增加。因此转移性传播是由Phgdh 蛋白的损失而非其催化功能的损失所导致。
教授介绍：
Sarah-Maria Fendt，VIB癌症生物学中心的首席研究员，比利时鲁汶大学的肿瘤学教授。Sarah实验室主要研究代谢中的一般调节原理，以及在转移形成过程中全身生理过程癌症代谢的改变。为了在该领域进行新的研究，她的团队利用了他们在代谢组学和通量组学方面的专业知识。他们将癌症视为一种代谢疾病的转移形成，即癌症和转移性细胞必须在疾病进展过程中动态改变其细胞表型，反之又需要代谢变化。因此，其实验室希望能在肿瘤微环境和转移生态位的背景下机械剖析（转移）癌细胞的代谢脆弱性，以定义预防癌症进展的新治疗方法。
参考文献：
Rossi, M., Altea-Manzano, P., Demicco, M. et al. PHGDH heterogeneity potentiates cancer cell dissemination and metastasis. Nature 605, 747–753 (2022).https://doi.org/10.1038/s41586-022-04758-2