【代谢】肺转移和原发性乳腺癌之间的代谢差异——丝氨酸的生物合成定义了雷帕霉素对肺转移的敏感性

在肿瘤中，营养物的利用和代谢被认为是生长信号的重要调节剂。然而，在转移环境中生长的癌细胞是否依赖与原发肿瘤中的癌细胞相同的营养和代谢途径来激活生长信号，仍然难以捉摸。2021年1月21日，比利时VIB-KU鲁汶癌症生物学中心的Sarah-Maria Fendt课题组在Molecular cell在线发表题为 “In Vivo Evidence for Serine Biosynthesis-Defined Sensitivity of Lung Metastasis, but Not of Primary Breast Tumors, to mTORC1 Inhibition” 的研究论文，为肺转移和原发性乳腺癌在激活转移信号的代谢和营养需求之间存在的差异提供了体内证据。研究者发现乳腺癌来源的肺转移，而不是相应的原发性乳腺癌，使用丝氨酸生物合成途径来支持mTORC1生长信号。从机理上讲，通过MCT摄取丙酮酸可促进乳腺癌衍生的肺转移中丝氨酸生物合成衍生的α-酮戊二酸的产生来支持mTORC1信号传导。因此，在乳腺癌衍生的肺部肿瘤（而不是原发性乳腺肿瘤）中，对于mTORC1抑制剂雷帕霉素的敏感性，需要表达丝氨酸生物合成酶PHGDH。

 

——生物学背景——

癌转移形成是癌症患者死亡的主要原因。为了从扩散到转移形成，癌细胞需要激活生长信号。尽管已经在原发性肿瘤中广泛研究了生长信号，但对于转移转移性癌细胞中生长信号的要求和机制知之甚少。重要的生长信号是通过雷帕霉素（mTOR）的哺乳动物靶标介导的，这是一种丝氨酸/苏氨酸特异性蛋白激酶，存在于两种复合体中，即mTORC1和mTORC2。 mTORC1的异常活性已在多种癌症中发现，并导致不受控制的增殖。允许癌细胞从原发性肿瘤中扩散的早期转移步骤与mTORC1信号传导的调节相关。mTORC1受到一些营养物质和代谢产物如氨基酸，α-酮戊二酸和核苷酸的调控。有趣的是，最近有研究发现原发癌和转移灶之间的养分利用率和代谢不同。这引起了以下问题：原发性乳腺癌中的癌细胞和相应的转移是否通过不同的营养和代谢活动激活mTORC1信号传导？

 

——实验结果——

1、丙酮酸支持肺转移中的mTORC1信号传导

研究者首先探究原发性乳腺癌及其相应的肺转移是否依赖相同的生长信号通路，即mTORC1信号进行增殖和增生。作者使用4T1小鼠乳腺癌细胞在乳腺脂肪垫中引发原发性肿瘤，从而导致小鼠自发形成肺转移，随后对基于S6和真核翻译起始因子4E（eIF4E）结合蛋白1（4EBP1）的磷酸化评估了mTORC1信号传导。与相邻的健康肺组织相比，增殖性原发性乳腺肿瘤和转移灶均显示出大量的S6和4EBP1磷酸化（图1A），表明 4T1原发性乳腺肿瘤及其相应的转移灶使用了mTORC1依赖的生长信号。与原发性肿瘤相比，转移瘤的磷酸化率占总S6的比例更高（图1B），结合公开的乳腺癌患者磷酸化蛋白质组学数据（图1C），在转移灶中的mTORC1信号转导活性增强。

mTORC1信号在很大程度上受到养分利用率的影响。因此，我们将乳腺癌患者样品中葡萄糖，丙酮酸，谷氨酰胺和精氨酸的选择转运蛋白的基因表达与mTOR活性进行相关性分析（对于葡萄糖为SLC2A1和GLUT1，对于丙酮酸为SLC16A7和MCT2，对于谷氨酰胺为SLC1A5和ASCT2，以及 SLC7A1 / SLC7A2，对于精氨酸为CAT1 / 2）。尽管SLC7A1和SLC7A2显示相反的结果，但我们在患者的乳腺癌样品中观察到GLUT1以及MCT2基因表达与mTOR活性之间呈正相关（图1D和1E）。由于葡萄糖浓度和mTOR活性之间的联系之前已有详细研究，并且小鼠肺脏液中的葡萄糖浓度与血液相比有所降低（图1F），因此作者决定重点研究丙酮酸。在体外培养的4T1乳腺癌中补充丙酮酸可增加基于嘌呤霉素掺入的蛋白质翻译（图1G），并在饥饿和4T1和HCT116癌细胞重新活化后导致某些mTORC1靶标更快的磷酸化。因此，丙酮酸对于激活生长信号可能是重要的。

作者假设在肺转移环境境中丙酮酸的可用性可能支持mTORC1生长信号。研究发现与原发性4T1乳腺肿瘤相比，肺转移中丙酮酸丰富度增加了2.5倍。作者采用MCT2抑制剂α-氰基-4-羟基肉桂酸抑制丙酮酸对肺转移的摄取。在原发性乳腺肿瘤组织中，mTORC1靶的磷酸化没有改变（图1I）。转移灶中S6磷酸化显著降低，而较低磷酸化（α和β谱带）4EBP1的比例增加（图1J）。这说明乳腺癌衍生的肺转移通过MCT2摄取丙酮酸支持mTORC1信号传导，但在原发性乳腺肿瘤中不支持。

     

                      

图1

2、丙酮酸激活丝氨酸合成途径

接下来，作者研究了丙酮酸支持mTORC1生长信号的机制。作者在丙酮酸含量增加的条件下培养了4T1乳腺癌细胞，并进行了代谢组学分析。丝氨酸，丙氨酸，x-磷酸甘油酸（2-和3-磷酸甘油酸的总和）和α-酮戊二酸的丰度显示出最明显的增加（图2A–2D）。丝氨酸和α-酮戊二酸可以通过丝氨酸生物合成途径直接连接，产生丝氨酸和等摩尔量的α-酮戊二酸，因为磷酸丝氨酸氨基转移酶1（PSAT1）将3-磷酸羟基丙酮酸和谷氨酸转化为3-磷酸丝氨酸和α-酮戊二酸（图2E）。作者假设丙酮酸刺激丝氨酸的生物合成，因此使用¹³C标记在4T1，MDA-MB-468，A549和HCT116细胞中测量了新生丝氨酸的生物合成。作者观察到丙酮酸的补充增加了由葡萄糖产生的丝氨酸的比例（图2F-2I），α-酮戊二酸丰度（图2J–2L），x-磷酸甘油酸酯含量和NAD⁺与NADH的比例（图2C和2M-2O）。基于这些数据，作者认为丙酮酸在体外激活了丝氨酸生物合成途径。

作者在具有原发性乳腺肿瘤和肺转移的小鼠体内进行了代谢组学分析。与相应的原发性乳腺肿瘤相比，4T1乳腺癌衍生的肺转移瘤表现出较高的丝氨酸生物合成率（图2P），升高的α-酮戊二酸和x-磷酸甘油酸丰度（图2Q和2R）以及NAD⁺与NADH的比率增加（图2P和2S）。因此，这些数据与丙酮酸通过提高3-磷酸甘油酸丰度和NAD⁺与NADH的比例激活肺转移中丝氨酸生物合成的观点相一致。

图2

3、丝氨酸生物合成途径产生的α-酮戊二酸支持mTORC1信号传导

作者在4T1和MDA-MB-231乳腺癌细胞中沉默和过表达磷酸甘油酸脱氢酶（PHGDH）。沉默PHGDH降低了葡萄糖，细胞内α-酮戊二酸丰度和蛋白质翻译产生的丝氨酸含量（图3A），而过表达则产生相反的作用（图3B）。原发性乳腺肿瘤中，PHGDH沉默不会改变mTORC1目标的磷酸化（图3C）。然而，在PHGDH沉默的乳腺癌衍生的肺肿瘤中，与对照肿瘤相比，p70 S6K磷酸化大大降低（图3D）。这说明丝氨酸生物合成途径的抑制降低了肺部环境中癌细胞中的mTORC1信号传导，但在原发性肿瘤部位中却没有。

图3

作者使用质谱法测量了丝氨酸生物合成途径的哪些代谢产物以依赖PHGDH的方式发生了变化。在丙酮酸存在下，在4T1细胞中PHGDH沉默后，α-酮戊二酸，丝氨酸和甘氨酸的丰度主要降低，而当在MDA-MB-231细胞过表达PHGDH时，α-酮戊二酸增加最为明显。值得注意的是，在丙酮酸存在下，作为丝氨酸生物合成下游代谢产物的核苷酸在PHGDH沉默或过表达PHGDH时丰度不会持续变化。根据文献，丝氨酸和α-酮戊二酸均可支持mTORC1信号传导。但是，在作者的培养条件下（在RPMI中为286μM，在DMEM中为400μM）和在肺环境中（在小鼠中为199±58.6μM，在人中为94±24.1μM），丝氨酸的含量很高，代谢物的可用性不受限制。此外，与原发性乳腺肿瘤相比，在4T1和MMTV-PyMT来源的肺转移中，α-酮戊二酸而不是丝氨酸的含量持续增加（图4C-4F）。研究发现在PHGDH沉默或过表达时，胞质α-酮戊二酸的丰度会不断变化（图4G和4H），这表明该代谢物可能参与了丝氨酸生物合成驱动的mTORC1信号传导调控。

 

接下来作者推断α-酮戊二酸补充可以在4T1细胞中PHGDH沉默后挽救mTORC1信号的激活。他们观察到在血清和丙酮酸饥饿和回补后，PHGDH沉默的4T1细胞中补充α-酮戊二酸可提高p70 S6K，S6和4EBP1的磷酸化动力学（α和β谱带减少）（图4I）。α-酮戊二酸补充增加了PHDGH沉默的4T1细胞中的蛋白质翻译（图4J）。这些数据表明，α-酮戊二酸可在PHGDH沉默后在体外拯救mTORC1信号传导。

图4

 

4、丝氨酸的生物合成定义了雷帕霉素对肺转移的敏感性

作者将MDA-MB-231对照细胞和过表达 PHGDH细胞注入裸鼠的肺部，并用雷帕霉素治疗，随后评估了乳腺癌衍生的肺肿瘤的生长，只有过表达 PHGDHMDA-MB-231肺部肿瘤对雷帕霉素治疗敏感。用4T1对照和PHGDH沉默的乳腺癌细胞进行实验得到相似的结果，只有具有PHGDH表达的对照4T1来源的肺肿瘤对雷帕霉素敏感。基于这些数据，作者得出结论，PHGDH活性（即丝氨酸生物合成）定义了肺癌环境中乳腺癌细胞对mTORC1抑制的敏感性。

 

——小结——

作者发现小鼠的肺转移及其相应的原发性乳腺肿瘤依赖不同的营养物质和代谢途径来激活生长信号。丝氨酸生物合成是对在肺环境中生长的乳腺癌细胞中mTORC1抑制敏感性的决定因素。

 

参考文献：

1、Rinaldi G, et al. “ In Vivo Evidence for Serine Biosynthesis-Defined Sensitivity of Lung Metastasis, but Not of Primary Breast Tumors, to mTORC1 Inhibition.”  Mol. Cell. 2021 Jan 21;81(2):386-397.e7. 

DOI: 10.1016/j.molcel.2020.11.027.