代謝是細(xì)胞及機(jī)體生命活動能量與物質(zhì)來源的基礎(chǔ)，其穩(wěn)態(tài)平衡是機(jī)體應(yīng)對內(nèi)外時空變化的重要保障 [1, 2]。代謝紊亂或調(diào)控機(jī)制異常與多種人類疾病密切相關(guān)，例如，腫瘤代謝異常賦予腫瘤細(xì)胞特異性增殖優(yōu)勢，影響并改變腫瘤微環(huán)境，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞存活 [3, 4]。因此，揭示代謝途徑調(diào)控機(jī)制，將為惡性腫瘤的發(fā)病機(jī)理提供全新突破口，并為其臨床靶向干預(yù)治療提供新的策略。
 

擬素化 (neddylation) 是一種調(diào)節(jié)蛋白活性或功能但不介導(dǎo)其被26S蛋白酶體降解的蛋白質(zhì)翻譯后修飾[5]。擬素化過程與泛素化過程類似，通過NEDD8激活酶E1 (NEDD8-activating enzyme, NAE)、NEDD8耦聯(lián)酶E2 (NEDD8-conjugating enzyme) 和E3連接酶 (E3 ligase) 組成的三聯(lián)酶促反應(yīng)將擬素NEDD8與目標(biāo)蛋白共價結(jié)合 [6]。擬素化修飾的生理性底物為Cullin家族蛋白 (共八種，包括CUL1-3，4A，4B，5，7和9)， Cullin的擬素化激活Cullin-RING ligase (CRL) E3泛素連接酶 [7]。CRLs是最大的一類泛素連接酶超家族，由Cullin骨架蛋白、RING結(jié)構(gòu)域蛋白 (RBX1或RBX2)、接頭蛋白 (adaptor) 和底物識別受體 (substrate receptor) 幾個部分組成 [8]，負(fù)責(zé)細(xì)胞內(nèi)大約20%的經(jīng)泛素-蛋白酶體信號通路降解蛋白的泛素化。因此擬素化修飾與蛋白泛素化降解緊密關(guān)聯(lián)。然而擬素化信號通路如何調(diào)控細(xì)胞代謝目前仍不清楚。
 

2022年5月31日，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院腫瘤研究所/浙江大學(xué)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院孫毅教授團(tuán)隊在Nature Communications 發(fā)表題為Neddylation inhibition induces glutamine uptake and metabolism by targeting CRL3SPOP E3 ligase in cancer cells的研究論文，報道了擬素化修飾通過CRL3-SPOP E3泛素連接酶調(diào)控腫瘤細(xì)胞的谷氨酰胺吸收和代謝。（麥特繪譜提供其非靶向代謝組學(xué)檢測服務(wù)）
 

研究人員前期工作發(fā)現(xiàn)，使用小分子MLN4924（一種去乙�；�激活酶的小分子抑制劑）抑制擬素化修飾，可以誘導(dǎo)線粒體從分裂向融合的動力學(xué)轉(zhuǎn)換、破壞線粒體功能，并通過激活PKM2促進(jìn)糖酵解 [9]。非靶向代謝組學(xué)分析指出擬素化修飾在整體上顯著調(diào)控細(xì)胞代謝，通過分析細(xì)胞代謝通路，發(fā)現(xiàn)谷氨酰胺代謝變化最為顯著。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明，阻斷擬素化修飾后，腫瘤細(xì)胞谷氨酰胺吸收及其代謝顯著增加；且僅有谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)體ASCT2/SLC1A5水平增高。增高的ASCT2促進(jìn)細(xì)胞谷氨酰胺吸收和其代謝，維持細(xì)胞存活。
 

為明確擬素化修飾抑制后ASCT2累積的機(jī)制，結(jié)合生物信息學(xué)和生化實(shí)驗(yàn)，研究者發(fā)現(xiàn)ASCT2蛋白含有CRL3 E3泛素連接酶中接頭蛋白SPOP經(jīng)典結(jié)合基序，SPOP促進(jìn)ASCT2蛋白的K48連接的多聚泛素化降解，降低其穩(wěn)定性。有趣的是，SPOP自身的水平也受環(huán)境中谷氨酰胺的調(diào)節(jié)：在剝奪谷氨酰胺后，SPOP不能形成二聚體，觸發(fā)SPOP的自身泛素化降解，導(dǎo)致其底物ASCT2的累積。在人體乳腺癌腫瘤組織樣本中發(fā)現(xiàn)，腫瘤組織SPOP低表達(dá)而ASCT2高表達(dá)，二者呈負(fù)相關(guān)性，同時SPOP低表達(dá)且ASCT2高表達(dá)的患者有較差的存活率；另外，從癌旁到癌組織，SPOP表達(dá)逐漸降低，而ASCT2表達(dá)逐漸增高。靶向代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，相比癌旁組織，乳腺癌組織中谷氨酰胺濃度降低。同時發(fā)現(xiàn)包括乳腺癌在內(nèi)的多種腫瘤對谷氨酰胺有較高吸收和代謝，另一方面，腫瘤微環(huán)境中谷氨酰胺濃度會重塑谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)體ASCT2和其調(diào)控蛋白SPOP的水平，進(jìn)一步調(diào)節(jié)對谷氨酰胺的吸收和代謝。
 

鑒于抑制擬素化導(dǎo)致的細(xì)胞谷氨酰胺吸收和代謝對腫瘤細(xì)胞存活有保護(hù)作用，為了進(jìn)一步揭示靶向擬素化通路和細(xì)胞谷氨酰胺代謝對腫瘤細(xì)胞生長的影響，研究者使用MLN492聯(lián)合ASCT2抑制劑V-9302，體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)及體內(nèi)腫瘤模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果均顯示，同時靶向擬素化通路和谷氨酰胺吸收可顯著抑制腫瘤細(xì)胞增殖。總體上，該研究通過SPOP-ASCT2軸將擬素化與谷氨酰胺代謝聯(lián)系起來，并為MLN4924聯(lián)合用藥提出了可行的方案。
 

圖示：研究模式圖。在谷氨酰胺充足條件下，二聚化的SPOP與Cullin 3形成有活性的CRL3-SPOP E3泛素連接酶，促進(jìn)ASCT2的泛素化降解，維持正常的谷氨酰胺代謝；當(dāng)腫瘤發(fā)生時，由于SPOP突變或者低表達(dá)，CRL3-SPOP泛素連接酶活性減弱，致使ASCT2水平增加，促進(jìn)谷氨酰胺代謝；在缺乏谷氨酰胺的情況下，GRK2磷酸化SPOP以抑制其二聚化，從而觸發(fā)SPOP自身泛素化和降解，導(dǎo)致谷氨酰胺代謝增加。
 

孫毅教授團(tuán)隊的周啟銀博士為論文第一作者，孫毅教授和浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬邵逸夫醫(yī)院王嫻主任醫(yī)師為論文共同通訊作者。同時該研究獲得了清華大學(xué)胡澤平研究員、浙江大學(xué)王林波主任醫(yī)師和金洪傳教授的大力支持。
 

參考文獻(xiàn)

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2. Elia, I. and M.C. Haigis, Metabolites and the tumour microenvironment: from cellular mechanisms to systemic metabolism. Nat Metab, 2021. 3(1): p. 21-32.

3. Ghosh-Choudhary, S., J. Liu, and T. Finkel, Metabolic Regulation of Cell Fate and Function. Trends Cell Biol, 2020. 30(3): p. 201-212.

4. Pavlova, N.N., J. Zhu, and C.B. Thompson, The hallmarks of cancer metabolism: Still emerging. Cell Metab, 2022. 34(3): p. 355-377.

5. 魏文毅，孫毅，曹誠，常智杰，陳策實(shí)，陳佺，程金科，馮仁田，高大明，胡榮貴，賈立軍，姜天霞，金建平，李匯華，李衛(wèi)，劉翠花，劉萱，馬蕾娜，繆時英，饒楓，商瑜，宋質(zhì)銀，萬勇，王恒彬，王平，王占新，吳緬，吳喬，謝旗，謝松波，謝志平，徐平，許執(zhí)恒，楊波，陽成偉，應(yīng)美丹，張宏冰，張令強(qiáng)，趙永超，周軍，朱軍，王琳芳，張宏，王琛，邱小波。類泛素蛋白及其中文命名�？茖W(xué)通報。2018. 63(25): p. 2564-2569。

6. Zhou, L., et al., Protein neddylation and its alterations in human cancers for targeted therapy. Cell Signal, 2018. 44: p. 92-102.

7. Vogl, A.M., et al., Global site-specific neddylation profiling reveals that NEDDylated cofilin regulates actin dynamics. Nat Struct Mol Biol, 2020. 27(2): p. 210-220.

8. Zhao, Y. and Y. Sun, Cullin-RING Ligases as Attractive Anti-cancer Targets. Curr Pharm Des, 2013. 19(18): p. 3215-25.

9. Zhou, Q., et al., Inhibiting neddylation modification alters mitochondrial morphology and reprograms energy metabolism in cancer cells. JCI Insight, 2019. 4(4).

原文文獻(xiàn)

Neddylation inhibition induces glutamine uptake and metabolism by targeting CRL3SPOP E3 ligase in cancer cells. Nature Communications. 2022.

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腫瘤細(xì)胞的蛋白質(zhì)修飾和代謝調(diào)節(jié)已成為其診療機(jī)制研究的熱點(diǎn)，多種小分子代謝物如谷氨酸/谷氨酰胺、色氨酸及其代謝物、琥珀酸等被證實(shí)與腫瘤細(xì)胞的代謝調(diào)節(jié)有關(guān)。麥特繪譜非靶向代謝組學(xué)方法是基于GC-TOFMS技術(shù)平臺和采用自建標(biāo)準(zhǔn)品數(shù)據(jù)庫精確鑒定，可對1500+代謝物進(jìn)行準(zhǔn)確定性及相對定量。麥特繪譜擁有全球獨(dú)有技術(shù)的Q600、Q300、Q200和各類小分子代謝物獨(dú)立檢測方法，菌群16S測序和宏基因組等技術(shù)，以及聯(lián)合分析等全套解決方案。獨(dú)家的檢測技術(shù)、全面的數(shù)據(jù)報告以及專業(yè)的售后探討，助力您的科研探索之路不斷創(chuàng)新和突破。歡迎聯(lián)系獲取詳細(xì)資料！