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靶向擬素化修飾調控線粒體能量代謝,抑制腫瘤細胞生長

編輯:admin 時間:2019年04月30日 訪問次數:239

代謝是機體生命活動的基本特征,代謝的調控決定著細胞生長、分裂和死亡。能量是生命機體生長和繁殖的驅動力,主要通過氧化磷酸化和糖酵解途徑產生。細胞能量代謝在一定條件下能進行重編程,以適應外界環境。近年來,細胞能量代謝異常作為腫瘤的特征之一,已受到緊密關注,成為當前腫瘤研究最前沿的領域之一。因此,對腫瘤代謝異常及其調控機制的研究,能為解析腫瘤的發生和發展提供全新的突破口,并為腫瘤的靶向治療提供新的策略和手段。

Neddylation(擬素化)信號通路參與的蛋白翻譯后修飾,僅調節蛋白活性或功能但不介導其被26S蛋白酶體降解。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耦聯酶 E2(NEDD8-conjugating enzyme)和E3 連接酶(E3 ligase)組成的三聯酶促反應將泛素樣小分子NEDD8 與目標蛋白共價結合,進而調控包括腫瘤發生發展在內的多種生物學過程。在被NEDD8修飾的底物中,目前以Cullin-RING ligase(CRL)E3 泛素連接酶形式存在的 Cullin 家族蛋白研究最多。小分子化合物MLN4924是新近研發的、目前唯一一個擬素化信號通路的抑制劑,已被廣泛應用于擬素化信號通路生化功能及其在生物學過程的相關研究中。目前,擬素化信號通路是否及如何調控細胞代謝是領域內一個重要而未明確的問題。

2019年2月21日,國際學術期刊JCI Insight 發表了孫毅課題組研究成果“Inhibiting neddylation modification alters mitochondrial morphology and reprograms energy metabolism in cancer cells”。該研究主要發現,1) 抑制擬素化通路促進細胞氧化磷酸化和糖酵解進而介導細胞代謝變化,但線粒體功能降低;2) 靶向氧化磷酸化或糖酵解能增敏MLN4924的腫瘤殺傷作用。

鑒于線粒體作為細胞內參與細胞代謝的一個重要細胞器,研究者首先使用MLN4924或基因敲減NAE催化亞基UBA3抑制擬素化通路,通過免疫熒光和透射電鏡明確擬素化通路抑制誘導線粒體動力學從分裂向融合轉換。機制研究發現MLN4924抑制擬素化通路后,線粒體融合蛋白MFN1表達顯著增加,而線粒體分裂調控因子DRP1表達沒有改變。

由于DRP1通過在細胞質與線粒體的穿梭調控線粒體動力學變化,隨后研究發現細胞質DRP1含量在MLN4924處理后顯著增加而其在線粒體含量顯著減少,DRP1在線粒體中含量的減少是由于其616位點磷酸化水平減弱。為了進一步明確MFN1在擬素化通路抑制后調控的線粒體動力學變化,研究發現MFN1敲降可完全抑制MLN4924誘導的線粒體融合。進一步探究MLN4924誘導的MFN1表達增高的原因,發現MFN1序列含有經典保守的SCFβ-TrCP E3泛素連接酶的結合位點,在明確線粒體中也含SCFβ-TrCP E3泛素連接酶組分后,研究者使用一系列生化手段鑒定了CRL/SCFβ-TrCP E3泛素連接酶對MFN1的泛素化降解作用。同時,F-box β-TrCP調控線粒體動力學從分裂向融合的轉換。因此,該結果證實MFN1可被CRL E3泛素連接酶調控,同時,MFN1成為SCFβ-TrCP E3泛素連接酶的新底物。

既然擬素化通路抑制調控線粒體動力學,那么線粒體功能及細胞代謝有何變化?研究者使用非靶向代謝組學分析發現,擬素化通路抑制后細胞線粒體功能減弱,糖酵解增加。隨后,研究者檢測了一系列線粒體功能,發現盡管其功能減弱,但氧氣消耗增加。由于擬素化通路抑制促進細胞糖酵解,研究者發現MLN4924促進了糖酵解關鍵代謝酶PKM2活性的增加。PKM2活性增加是由于MLN4924促進了其活性形式的四聚體形成,而非其蛋白表達。這是關于MLN4924活性的一個全新發現,與它的擬素化抑制無關。

線粒體融合誘導的細胞氧化磷酸化增加和糖酵解分別有報道指出其對腫瘤細胞存活有保護作用。MLN4924由于在臨床前研究中展示了很好的腫瘤殺傷作用,目前已進入臨床Ⅱ期研究。為了進一步揭示靶向擬素化通路和細胞能量代謝對腫瘤細胞生長的影響,研究者使用MLN492聯合氧化磷酸化抑制劑metformin或PKM2抑制劑shikonin,體外細胞實驗及體內腫瘤模型實驗結果均指出同時靶向擬素化通路和細胞能量代謝可顯著抑制腫瘤細胞增殖。研究結果為MLN4924聯合用藥提出了可行的方案。

該研究主要由孫毅實驗室的周啟銀博士完成,多名浙江大學和密西根大學的研究人員參與了該項工作。

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