文章標(biāo)題：Cyst(e)ine in nutrition formulation promotes colon cancergrowth and chemoresistance by activating mTORC1 andscavenging ROS

發(fā)表期刊：Signal Transduct and Target Therapy

發(fā)表時間：2021年5月

影響因子：18.187

合作客戶：云南省腫瘤醫(yī)院和昆明動物所

百趣提供服務(wù)：胱氨酸靶標(biāo)檢測

 

研究背景

 

由于腸梗阻和癌癥惡病質(zhì)等臨床因素，營養(yǎng)不良是結(jié)直腸癌患者的常見問題。如果腸道功能得以保留，首選腸內(nèi)營養(yǎng)，反之則依賴腸外營養(yǎng)。腫瘤細(xì)胞的營養(yǎng)需求與正常組織細(xì)胞不同，歐洲和中國腸內(nèi)腸外營養(yǎng)學(xué)會建議癌癥患者應(yīng)多食低碳水、高脂肪、高蛋白和高熱量食物，但對特定成分(如氨基酸)對癌癥進(jìn)展的影響尚未得到充分研究。多項(xiàng)研究表明，對特定氨基酸的飲食干預(yù)會影響癌癥的發(fā)展和治療效果。癌細(xì)胞高度依賴胱氨酸，這可能是癌癥治療的代謝脆弱靶點(diǎn)。

作者進(jìn)行了一項(xiàng)回顧性隊(duì)列研究，分析腸外營養(yǎng)相關(guān)因素與癌癥患者生存率的關(guān)系，還進(jìn)行了體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)腸外營養(yǎng)的半胱氨酸成分降低了胃腸癌患者的存活率，胱氨酸剝奪(CD)飲食抑制體內(nèi)結(jié)腸癌生長，這些發(fā)現(xiàn)對結(jié)腸癌治療有潛在的臨床影響。

 

 

研究結(jié)果

 

01.半胱氨酸降低胃腸癌患者的總生存期

為了確定腸外和腸內(nèi)營養(yǎng)相關(guān)的氨基酸成分對胃腸癌患者的影響。收集接受腸外營養(yǎng)的胃腸道癌癥患者的數(shù)據(jù)，分析表明在腸外營養(yǎng)制劑中發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)氨基酸對胃腸道癌癥患者總生存期具有有益影響，添加半胱氨酸、天冬氨酸或谷氨酸的腸外營養(yǎng)制劑降低了患者的總生存期。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)半胱氨酸與總生存期較短顯著相關(guān)(P<0.001)。

為了闡明這些氨基酸的作用，測試了不同濃度胱氨酸和半胱氨酸的培養(yǎng)基中培養(yǎng)結(jié)腸癌細(xì)胞(HCT116和RKO)的生長情況，發(fā)現(xiàn)胱氨酸(0–25 uM)或半胱氨酸(0–100uM)濃度的增加以劑量依賴的方式顯著促進(jìn)結(jié)腸癌細(xì)胞的生長，蛋白質(zhì)生物量的增加也反映了這一點(diǎn)。這些結(jié)果表明胱氨酸特異性地促進(jìn)結(jié)腸癌細(xì)胞生長。

 

02.含胱氨酸飲食促進(jìn)體內(nèi)結(jié)腸癌生長

為進(jìn)一步證實(shí)胱氨酸的促增殖作用，設(shè)計(jì)胱氨酸剝奪(CD)和胱氨酸添加(CA)對小鼠進(jìn)行2周的CD/CA飲食或正常飲食后接種HCT116細(xì)胞，并監(jiān)測異種移植物體積和小鼠體重。結(jié)果表明飲食中添加0.4%胱氨酸顯著促進(jìn)異種移植物生長并增加腫瘤重量，CD飲食有效抑制結(jié)腸腫瘤生長，表明胱氨酸確實(shí)促進(jìn)體內(nèi)結(jié)腸癌的生長。

圖2 不同組間腫瘤體積和腫瘤重量的統(tǒng)計(jì)分析

 

03.胱氨酸促進(jìn)結(jié)腸癌細(xì)胞周期G1/S轉(zhuǎn)換和DNA合成

 

為確定胱氨酸是否促進(jìn)結(jié)腸癌細(xì)胞增殖，在無胱氨酸和添加胱氨酸的培養(yǎng)基中培養(yǎng)HCT116和RKO癌細(xì)胞，并測量細(xì)胞周期。觀察到胱氨酸促進(jìn)了結(jié)腸癌細(xì)胞周期G1/S的轉(zhuǎn)換和DNA合成。GO富集分析顯示胱氨酸調(diào)節(jié)有絲分裂細(xì)胞周期G1/S轉(zhuǎn)換和DNA復(fù)制生物合成過程。因此，認(rèn)為胱氨酸主要通過促進(jìn)細(xì)胞周期G1/S轉(zhuǎn)換和DNA合成。

04.胱氨酸最有可能通過激活mTORC1促進(jìn)結(jié)腸癌增殖

KEGG富集分析顯示，哺乳動物雷帕霉素靶標(biāo)(mTOR)信號通路受胱氨酸調(diào)控，用mTORC1抑制劑雷帕霉素或依維莫司處理結(jié)腸癌細(xì)胞并評估細(xì)胞活力，發(fā)現(xiàn)兩種mTORC1抑制劑均抑制了mTORC1活性，并顯著阻斷胱氨酸誘導(dǎo)的結(jié)腸癌細(xì)胞系的增殖。同樣，mTOR的敲除也顯著阻斷了多種結(jié)腸癌細(xì)胞系中胱氨酸誘導(dǎo)的細(xì)胞生長，表明胱氨酸最有可能是通過激活mTORC1來促進(jìn)結(jié)腸癌生長。

 

05.胱氨酸通過GCN2-ATF4-SESN2軸激活mTORC1

 

為了說明胱氨酸激活mTORC1的機(jī)制，研究了受胱氨酸顯著調(diào)節(jié)的基因，發(fā)現(xiàn)SESN2在mRNA和蛋白水平上被胱氨酸顯著下調(diào)。接下來，研究了胱氨酸如何抑制SESN2的基因表達(dá)，發(fā)現(xiàn)胱氨酸抑制GCN2磷酸化并下調(diào) ATF4 的蛋白水平，降低了SESN2的轉(zhuǎn)錄并最終激活了mTORC1，表明胱氨酸通過結(jié)腸癌細(xì)胞中的GCN2-ATF4-SESN2軸激活mTORC1。

 

 

06.胱氨酸誘導(dǎo)結(jié)腸癌化療耐藥性

 

為了研究胱氨酸是否影響結(jié)腸癌細(xì)胞對化療的反應(yīng)，在無胱氨酸和含胱氨酸的培養(yǎng)基中用奧沙利鉑或伊立替康(cpt-11)處理HCT116和RKO細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)胱氨酸顯著誘導(dǎo)對奧沙利鉑和cpt-11的化學(xué)抗性。此外，奧沙利鉑和cpt-11介導(dǎo)的DNA合成也被胱氨酸部分阻斷，誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡在兩種細(xì)胞系中被胱氨酸大量阻斷，表明胱氨酸引起結(jié)腸癌耐藥。

 

 

07.胱氨酸通過合成谷胱甘肽(GSH)消除活性氧促進(jìn)結(jié)腸癌耐藥

 

根據(jù)報道推測胱氨酸可以促進(jìn)谷胱甘肽的合成并清除過量的活性氧，進(jìn)而保護(hù)結(jié)腸癌細(xì)胞免于凋亡。作者也發(fā)現(xiàn)胱氨酸顯著降低HCT116和RKO細(xì)胞中的細(xì)胞ROS水平，并增加了兩種細(xì)胞系的谷胱甘肽水平。當(dāng)阻斷細(xì)胞GSH合成時，顯著挽救了HCT116和RKO細(xì)胞中胱氨酸介導(dǎo)的奧沙利鉑和cpt-11抗性，表明胱氨酸通過抗氧化作用誘導(dǎo)化療耐藥性。

最后比較了胱氨酸和其他非必需氨基酸，表明奧沙利鉑引起的細(xì)胞生長抑制和奧沙利鉑誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡通過剝奪胱氨酸而不是亮氨酸、賴氨酸或精氨酸而進(jìn)一步增加，表明胱氨酸在胃腸道腫瘤的進(jìn)展中更為重要。

 

 

結(jié)論

營養(yǎng)不良是胃腸道腫瘤患者的常見問題，為了優(yōu)化PEN，必須了解PEN相關(guān)的特定成分(如氨基酸)對癌癥進(jìn)展的影響。通過對接受腸外營養(yǎng)的胃腸癌患者的回顧性分析以及進(jìn)一步的體外和體內(nèi)研究，發(fā)現(xiàn)PEN相關(guān)胱氨酸通過激活mTORC1促進(jìn)結(jié)腸癌生長，但CD飲食干預(yù)顯著抑制腫瘤生長，而不影響小鼠體重，表明CD飲食對結(jié)腸癌患者是安全的。