胰腺癌的代谢共生关系

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题目：Differential integrated stress response and asparagine production drive symbiosis and therapy resistance of pancreatic adenocarcinoma cells

期刊：Nature Cancer

IF：23.177

发表时间：2022年11月22日

通讯作者单位：加州大学

DOI：https://doi.org/10.1038/s43018-022-00463-1

主要内容：

胰腺导管癌存在于一个异质的、复杂的微环境中，该环境提供了艰苦的条件和有限的营养供应。现在显示，可克隆分离的肿瘤细胞群可分离成两种不同的代谢结构，促进瘤内共生的串扰，以支持生存和生长。

尽管胰腺导管腺癌（PDA）的发病率相对较低，但它是最致命的癌症类型之一，治疗方案有限。由于缺乏功能性血管，造成了恶劣的微环境，阻碍了化疗的进行，并促进了新陈代谢的适应。PDA内的基质群体，包括癌症相关的成纤维细胞和肿瘤相关的巨噬细胞，参与串扰并为癌细胞提供直接的代谢支持。PDA癌细胞群还表现出瘤内代谢的异质性，不同的合成代谢和分解代谢途径的参与以及对代谢抑制剂的敏感性。代谢异质性已经成为癌症生物学中必须了解的一个属性，因为它影响了治疗的脆弱性，并可能预测临床结果。Halbrook等人在同一肿瘤的胰腺癌细胞中发现了两种不同的代谢亚型，它们参与了共生串扰。他们表明，一个群体中综合应激反应（ISR）的构成性参与为呼吸缺陷的第二个群体提供天冬酰胺，这间接支持了天冬氨酸库和核苷酸的生物合成，从而促进了联合细胞群的生长。

作者在研究中使用了Kras+/G12D;Trp53+/R172H;Pdx1-Cre（KPC）基因工程小鼠模型，作为一种成熟的、与临床有关的PDA模型。他们使用来自一个KPC肿瘤的七个克隆细胞系，通过液相色谱-耦合串联质谱法进行代谢分析，并根据其稳态代谢物池的无偏聚类确定了两个不同的组别。第1组和第2组的克隆在几个代谢途径上表现出差异--特别是第1组的糖酵解和乳酸分泌增加，而第2组的谷氨酰胺和谷氨酸（三羧酸循环和线粒体呼吸的关键燃料）升高。这些发现表明，所确定的群体将表现出对这些代谢途径的不同依赖。与这一假设一致，第1组细胞被发现更依赖糖酵解，这是由呼吸测定法、NADH的相位荧光寿命成像法和对乳酸脱氢酶抑制剂FX11的敏感性增加决定的。另一方面，第2组细胞更依赖线粒体代谢，对氨基氧乙酸抑制转氨酶和寡霉素抑制FoF1-ATP合成酶的敏感性增加。尽管对线粒体呼吸的依赖性较低，但第1组细胞似乎更具有生物能量，其耗氧率、备用呼吸能力和线粒体膜电位均高于第2组细胞，这有可能解释它们对氨基氧乙酸和寡霉素的敏感性较低。值得注意的是，从另一个KPC肿瘤中分离出的独立克隆中也观察到了类似的代谢特征，这强烈表明观察到的代谢异质性在某种程度上是决定性的。

为了评估这两个群体之间是否发生了代谢串扰，Halbrook等人使用了一种精心设计的共培养策略，其中一个组的荧光标记的克隆系与（i）自身的未标记版本，（ii）同一组的未标记的克隆系，或（iii）另一组的未标记的克隆系共同培养7。使用寡霉素和线粒体复合体I抑制剂芬福明来抑制呼吸，作者发现第1组克隆能够支持第2组细胞的增殖，这种效果用第二组KPC肿瘤克隆重现，并通过使用Transwell系统证明是独立于接触的。这些结果导致了这样的假设：当呼吸功能受损时，第1组细胞释放的代谢物可以被第2组细胞吸收以支持增殖。液相色谱-串联质谱代谢组学和细胞培养基的无监督聚类分析再次将细胞系分为第1组和第2组，在核苷和非必需氨基酸的消耗和释放方面观察到差异。为了支持他们的假设，作者发现，在有寡核苷的情况下，补充非必需氨基酸的培养基能促进第2组细胞的增殖，天冬酰胺被确定为介导增殖救援的关键氨基酸。值得注意的是，在使用与PDA间质中发现的天冬酰胺的生理相关浓度的情况下，发生了这种拯救。沉默第一组细胞中的天冬酰胺合成酶（ASNS）也阻止了低聚霉素处理的第二组细胞的拯救，而在外源性天冬酰胺补充后则发生了这种情况。这些结果指出了PDA内不同克隆的代谢共生模型，其中一个亚群补偿了另一个亚群的代谢限制。

为了确定观察到的不同代谢程序背后的驱动力，作者分析了每组克隆的现有转录组数据，并证明第一组克隆中转录因子c-Myc的表达增加。转录因子ATF4的水平，以及ATF4调节的代谢酶（PSPH、SHMT2和ASNS）的水平，在这些克隆中也有所增加。四个ISR丝氨酸-苏氨酸激酶，GCN2、PERK、PKR和HRI，负责促进ATF4的翻译，取决于压力的类型。出乎意料的是，在第1组细胞中没有出现明显的应激条件，而是观察到GCN2的构成性激活，而用GCN2iB和ISRIB对ISR的抑制降低了ATF4的水平，并损害了第1组介导的对oligomycin处理的第2组细胞增殖的拯救。在人类PDA肿瘤中，免疫染色显示ASNS水平的瘤内异质性，而单细胞RNA测序分析显示肿瘤上皮细胞亚群具有高的ISR和ATF4活性。来自人类PDA肿瘤的克隆细胞确定了一个ATF4hiASNShiMychi（第1组）群体，该群体能够在低聚物酶存在下拯救ATF4loASNSloMyclo（第2组）群体。这些发现表明，相同的代谢亚群在小鼠和人类PDA肿瘤之间是保守的，并参与了类似的共生串联。

然后，作者集中讨论了这种基于天冬酰胺的共生关系的相关性。众所周知，线粒体功能障碍，或通过寡霉素抑制线粒体功能，会导致天门冬氨酸的下降，这种氨基酸被认为是核苷酸生物合成和细胞增殖的必要条件9,10。作者发现，天冬酰胺只是适度地挽救了细胞在寡核苷酸处理后的天冬氨酸耗竭，但却导致了核苷酸库的更大幅度的增加。鉴于天门冬氨酸是由天门冬氨酸通过ASNS合成的，而小鼠和人类细胞中缺乏天门冬氨酸酶，作者认为当外源天门冬氨酸存在时，有限的天门冬氨酸池被重新定向，不再用于天门冬氨酸的合成，而被放过的天门冬氨酸被重新定向用于其他限速氨基酸和核酸的从头合成。为了支持这一点，在第2组克隆中沉默ASNS会增加天门冬氨酸和核酸库。U-13C-谷氨酰胺标记也显示在寡霉素不敏感的第1组克隆中比在寡霉素敏感的第2组克隆中有更多的天门冬氨酸标记，这可能与还原性压力的不同有关。此外，天冬酰胺被发现可以挽救用更高浓度的寡霉素处理的第1组细胞的增殖，并在芬福明介导的多克隆小鼠PDA细胞、人类胰腺癌系、非癌症的HEK-293FT细胞和低通量患者来源的PDA细胞系的抑制作用。

最后，为了支持这种代谢串扰的体内相关性，当细胞以1:1的比例共同注射到小鼠体内时，第1组细胞似乎可以保护第2组细胞免受芬福明的影响，这一结果通过评估肿瘤中每个荧光标记的克隆的百分比得到了证实。苯妥英和降解细胞外天冬酰胺的PEG化L-天冬酰胺酶的联合治疗，在单克隆和联合注射的肿瘤模型中都停止了肿瘤生长。同样，在两种胰腺癌的KPC移植模型中，联合治疗导致免疫功能正常的小鼠的合成肿瘤异体移植的肿瘤生长大幅减少。

总的来说，这项研究增加了报告ISR在癌症中的致瘤作用的文献，并揭示了一个以前未描述的促进代谢共生的机制。这项工作令人振奋，它正式确定了PDA肿瘤中的新陈代谢串扰的预测存在（图1），在这种致命的、难以治疗的肿瘤类型中，它可能被利用来获得治疗效果。然而，仍有一些悬而未决的问题有待解决。一个有趣但无法解释的发现是，通常由氨基酸饥饿激活的GCN2和通常与线粒体功能障碍有关的ATF4在第1组细胞中是构成性活跃的，其中没有迹象表明营养物质的水平极低或线粒体功能障碍。从机理上阐明这一点对于理解ISR和ATF4在肿瘤生物学中的作用非常重要。另一个难题是，这些细胞很容易增殖，这表明尽管ISR被激活，但全局性的帽状翻译仍保持完整。同样，为什么第2组克隆显示富集了丝氨酸-苏氨酸激酶IRE1α和传感器ATF6的激活，而似乎呈现出一定程度的线粒体功能障碍，目前还不清楚。虽然在本研究中没有进行测试，但这些发现表明，除了用芬必得和PEG化的L-天冬酰胺酶治疗外，用ISRIB或GCN2的抑制剂抑制ISR可能代表另一种治疗策略，以选择性地针对PDA肿瘤内的细胞，正如在由小GTP酶KRAS11驱动的肺癌中显示的那样。鉴于PDA肿瘤是高度缺氧的，确定这种代谢串扰是否也延伸到支持低氧条件下的生存和生长将是有趣的。值得注意的是，肿瘤细胞本身居住在一个复杂的生态系统中，其中有不同的成纤维细胞和免疫细胞群，它们的功能是促进有利于肿瘤生长的生态位并提供代谢支持。相对于肿瘤代谢亚群之间的支持，来自基质细胞的代谢支持的重要性，或者这些亚群是否也支持基质细胞的功能，仍有待确定，无疑将产生令人兴奋的发现。最后，必须调查是否在其他肿瘤类型中观察到代谢共生，并更详细地探讨这些发现的治疗意义。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s43018-022-00463-1

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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