厦门大学吴乔教授团队揭示肝星状细胞外泌己糖激酶HK1加速肝癌进程新机制

2022年10月3日，吴乔教授课题组在Nature Metabolism在线发表题为“HK1 from hepatic stellate cell-derived extracellular vesicles promotes progression of hepatocellular carcinoma”的研究论文。研究阐明肝脏纤维化过程中，TGF-β诱导HSCs中己糖激酶HK1的棕榈酰化修饰，促进HK1通过胞外囊泡外泌，而肝癌细胞则劫持纤维化HSCs来源的胞外囊泡HK1来增强自身糖酵解能力从而促进肝癌细胞增殖；此外，研究发现小分子化合物PDNPA通过靶向核受体Nur77阻断TGF-β诱导的HK1外泌，进而抑制肝癌进程，揭示PDNPA抑制HK1外泌的新功能。

肝细胞癌（HCC）是最常见的肝恶性肿瘤，临床上超过80%的肝癌是由肝脏纤维化或肝硬化发展而来，提示肝纤维化可直接促进肝癌的发生发展。肝纤维化的关键节点是肝星状细胞（Hepatic stellate cells，HSCs）的激活。HSCs是肝脏特异性的间充质细胞，约占整个肝脏细胞总数的10%。健康肝脏中HSCs处于静息状态，细胞内富含维生素A脂滴；肝脏纤维化时，HSCs转为激活状态，细胞大量增殖，表现出α-平滑肌动蛋白（α-SMA）表达上调和胞外基质分泌增加等特点。

胞外囊泡（Extracellular vesicles，EVs）是由细胞释放到胞外基质中的一种膜性的囊泡结构，包含蛋白质、脂类、核酸、代谢物等成分。作为细胞间重要的通讯工具，EVs广泛参与生理和病理过程。

文中研究者分别提取静息状态和激活状态的HSCs胞外囊泡，通过蛋白质定量质谱分析，寻找囊泡中潜在的促癌蛋白。通过比对分析HSCs激活前后外泌蛋白图谱的变化，发现HSCs激活后，代谢通路相关蛋白己糖激酶HK1是其中变化最明显的蛋白之一。进一步研究发现，在肝脏纤维化过程中，促纤维化细胞因子TGF-β通过诱导HK1的棕榈酰化促进其由线粒体转运至细胞质膜，通过TSG101依赖的方式被分选进入lEVs（large EVs）进而外泌。HK1棕榈酰化过程与TGF-β下调去棕榈酰化酶ABHD17B的表达密切相关。

通过分析临床肝癌单细胞数据及CCLE数据库，研究者发现肝癌细胞低表达甚至不表达HK1。然而，肝癌细胞通过劫持HSCs外泌的lEV HK1来提高自身的HK1水平，进而提高肝癌细胞内糖酵解水平来促进肿瘤增殖。研究者进一步通过系列小鼠模型，包括肝原位移植瘤模型、肝癌细胞肺转移模型和DEN/CCl4-或HFD/STZ-诱导的原发肝癌模型，在小鼠体内验证了HSCs来源的lEV HK1促进肝癌进程。

(a)激活的HSCs胞外囊泡中HK1外泌变化位于前列。

(b)肝癌吸收DiI标记的HSCs来源的胞外囊泡。

(c)尾静脉注射lEV HK1促进肝癌进程。

(d)化合物PDNPA靶向Nur77配体结合域（LBD）形成空间位阻抑制Akt与Nur77的结合。

(e)PDNPA靶向HSCs内Nur77抑制肝癌进程。

核受体Nur77被报道可以抑制TGF-β诱导的纤维化过程。在该研究中，研究者进一步发现Nur77可转录激活ABHD17B基因的表达水平，进而抑制HK1的棕榈酰化修饰和外泌。然而，在纤维化过程中，TGF-β诱导HSCs中蛋白激酶Akt磷酸化Nur77导致其降解，从而丧失调控去棕榈酰化酶ABHD17B表达的能力。基于此，阻断Nur77和Akt结合则可能避免Nur77降解，保证Nur77通过ABHD17B抑制HK1外泌。通过筛选，研究者从实验室构建的靶向Nur77化合物库中发现小分子化合物PDNPA可以结合在Nur77配体结合域，由此形成空间位阻阻断Akt结合到Nur77配体结合域，从而大大提高Nur77表达水平，抑制纤维化过程中HK1的外泌。在HSCs内特异性敲除Nur77的转基因小鼠进一步验证了化合物PDNPA通过靶向Nur77抑制肝癌发生发展的新通路。

综上所述，该研究阐明了一个未见报道的肝纤维化促进肝癌进程的新机制，并筛选到具有潜力的小分子化合物PDNPA，通过阻断HSCs中HK1外泌抑制肝癌进程。

代谢重编程是肿瘤重要特征之一，肿瘤细胞通过重塑自身代谢以满足快速增殖的物质和能量需求。HKs家族蛋白被发现在肝细胞和肝癌细胞中差异表达。肝癌细胞通常表达葡萄糖高亲和力的HK2亚型，被认为是潜在的肝癌治疗靶点。而葡萄糖亲和力最高的HK1亚型在肝癌细胞中几乎不发生转录，其功能在肝癌中长期被忽视。该研究发现肝癌细胞可以劫持HSCs外泌的HK1，这不仅可以加强肿瘤细胞的糖酵解水平，还可以在低葡萄糖浓度条件下保证肿瘤细胞对葡萄糖的利用，以适应肝癌发展进程中肿瘤组织内营养不足的情况。尽管HK2被认为是治疗HK1-HK2+肿瘤类型的理想靶点，该研究提示联合靶向肿瘤自身的HK2和HSCs来源的胞外囊泡HK1将是更为理想的肝癌治疗策略。同时，肝星状细胞研究领域权威专家Robert F. Schwabe同期在Nature Metabolism杂志发表针对本研究的评论性文章（News & views）“Liver cancer metabolism: a hexokinase from the stars”，指出联合靶向HK1和HK2将作为靶向肝癌代谢的新方案。

来源：厦门大学生命科学学院

转自：“MDL科研助手”微信公众号

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