廈大陳航姿、吳喬團隊揭示脂肪酸氧化在黑色素瘤轉移中的重要作用
有氧糖酵解是人們最為熟知的腫瘤代謝重編程的方式之一，然而與細胞體外培養的環境相比，在體內的腫瘤生長環境中，腫瘤細胞時常處於代謝應激如葡萄糖飢餓的狀態。因此腫瘤細胞必須適時地切換能量來源以適應代謝應激，從而完成腫瘤的生長與轉移。脂肪酸是腫瘤的另一重要能量來源，然而關於葡萄糖飢餓等代謝應激狀況下，腫瘤細胞是否以及如何通過脂肪酸氧化來促進細胞存活還很不清楚。
1月26日，廈門大學生命科學學院陳航姿副教授和吳喬教授的研究團隊在Molecular Cell雜誌上發表的題為「Nuclear Receptor Nur77 Facilitates Melanoma Cell Survival under Metabolic Stress by Protecting Fatty Acid Oxidation」的研究論文，闡明了核受體Nur77通過保護脂肪酸氧化關鍵酶TPβ免於氧化失活、促進葡萄糖飢餓狀況下的脂肪酸氧化，從而維持細胞中的ROS水平、促進細胞的存活的分子機制。此外，該研究還揭示了脂肪酸氧化在黑色素瘤轉移中的重要作用以及黑色素瘤細胞適應代謝應激的機制。
陳航姿和吳喬研究團隊長期圍繞核受體Nur77（也被稱為TR3）的生物學功能開展研究。他們過去的研究發現Nur77與代謝綜合症、炎症以及腫瘤的發生密切相關，靶向Nur77的小分子化合物可用於小鼠糖尿病、結腸癌以及黑色素瘤的治療(Zhan et al.,Nature Chemical Biology, 2012; Chen et al.,Gut, 2012; Wang et al.,Nature Chemical Biology, 2014; Li et al.,Nature Chemical Biology, 2015)。該團隊在2017年發表的Nature Communications論文中，發現Nur77可通過調控肝癌細胞中糖異生的過程抑制肝癌的發展進程(Bian et al., 2017)。上述成果提示Nur77與腫瘤細胞的代謝重編程有直接的調控作用。
在這項研究中，該團隊首先發現Nur77對於黑色素瘤細胞適應葡萄糖飢餓的代謝應激狀態至關重要。在葡萄糖飢餓下，Nur77可維持細胞內的NADPH及GSH的水平，從而降低葡萄糖飢餓引起的ROS，促進黑色素瘤細胞的存活。進一步研究發現，葡萄糖飢餓可誘導ERK2的激活並磷酸化Nur77的Ser237。該位點的磷酸化作為分子開關，促進Nur77轉運到線粒體（下圖）。與以往報導Nur77在線粒體促細胞死亡不同，葡萄糖飢餓下Nur77的線粒體定位反而是細胞存活所必須的。
葡萄糖飢餓後，Nur77定位到線粒體（Hsp60作為線粒體marker蛋白）
接著，該團隊通過免疫共沉澱結合質譜分析的方法尋找到一個線粒體中與Nur77相互作用的新蛋白TPβ，該蛋白是執行脂肪酸氧化最後一步反應的硫解酶。敲低TPβ的黑色素瘤細胞與敲低Nur77的細胞表現出類似的表型，如葡萄糖飢餓下NADPH、 GSH更容易喪失，而ROS升高更顯著，說明TPβ可促進NADPH的產生降低ROS。這與脂肪酸氧化有助於降低ROS的觀點相一致 (Carracedo et al.,Nature Review Cancer, 2013)。
進一步分析發現，葡萄糖飢餓可誘導TPβ發生氧化修飾，從而抑制TPβ的酶活性，降低脂肪酸氧化。而在這一過程中，Nur77發揮著類似「防鏽漆」的作用：它比TPβ更容易被氧化，當它與TPβ結合後，通過其自身的氧化保護TPβ免於氧化引起的失活。因而，Nur77通過與TPβ結合促進NADPH、 GSH的產生，降低ROS，保證了細胞的存活（下圖左）。
為了進一步模擬腫瘤病理狀況下的代謝應激，該團隊採用了懸浮腫瘤細胞的模型。在懸浮狀況下腫瘤細胞攝取葡萄糖的能力顯著下降，而處於代謝應激的狀態(Schafer et al.,Nature, 2009; Piskounova et al.,Nature2015; Jiang et al.,Nature, 2016)。Nur77及TPβ對黑色素瘤細胞在懸浮下的存活至關重要（上圖右）。進一步的小鼠實驗表明，Nur77和TPβ通過提高循環腫瘤細胞（CTCs）在體內的存活，促進黑色素的轉移。臨床病理分析也表明，Nur77在複發的黑色素瘤中的表達水平明顯高於原發的黑色素瘤。
這項研究闡明了核受體Nur77通過保護脂肪酸氧化關鍵酶TPβ免於氧化失活，促進葡萄糖飢餓狀況下的脂肪酸氧化，從而維持細胞中的ROS水平，促進細胞的存活。這不僅解釋了黑色素瘤細胞適應代謝應激的機制，也說明了脂肪酸氧化在黑色素瘤轉移中的重要作用，為黑色素瘤的治療提供了新思路。
據悉，該論文的大部分工作由碩士生李曉雪、王志靜、鄭宇以及博士生關運峰等完成，通訊作者為陳航姿副教授和吳喬教授。
參考文獻：
Zhan, Y.Y., Chen, Y., Zhang, Q., Zhuang, J.J., Tian, M., Chen, H.Z., Zhang, L.R., Zhang, H.K., He, J.P., Wang, W.J., et al. (2012). The orphan nuclear receptor nur77 regulates LKB1 localization and activates AMPK.Nature Chemical Biology8, 897-904.
Chen, H.Z., Liu, Q.F., Li, L., Wang, W.J., Yao, L.M., Yang, M., Liu, B., Chen, W., Zhan, Y.Y., Zhang, M.Q., et al. (2012). The orphan receptor TR3 suppresses intestinal tumorigenesis in mice by downregulating Wnt signaling.Gut61, 714-724.
Wang, W.J., Wang, Y., Chen, H.Z., Xing, Y.Z., Li, F.W., Zhang, Q., Zhou, B., Zhang, H.K., Zhang, J., Bian, X.L., et al. (2014). Orphan nuclear receptor TR3 acts in autophagic cell death via mitochondrial signaling pathway.Nature chemical biology10, 133-140
Li, L., Liu, Y., Chen, H.Z., Li, F.W., Wu, J.F., Zhang, H.K., He, J.P., Xing, Y.Z., Chen, Y., Wang, W.J., et al. (2015). Impeding the interaction between Nur77 and p38 reduces LPS-induced inflammation.Nature Chemical Biology11, 339-46.
Bian, X.L., Chen, H.Z., Yang, P.B., Li, Y.P., Zhang, F.N., Zhang, J.Y., Wang, W.J., Zhao, W.X., Zhang, S., Chen, Q.T., et al. (2017). Nur77 suppresses hepatocellular carcinoma via switching glucose metabolism toward gluconeogenesis through attenuating phosphoenolpyruvate carboxykinase sumoylation.Nature communications8, 14420.
Carracedo, A., Cantley, L.C., and Pandolfi, P.P. (2013). Cancer metabolism: fatty acid oxidation in the limelight.Nature reviews. Cancer13, 227-232.
Schafer, Z.T., Grassian, A.R., Song, L., Jiang, Z., Gerhart-Hines, Z., Irie, H.Y., Gao, S., Puigserver, P., and Brugge, J.S. (2009). Antioxidant and oncogene rescue of metabolic defects caused by loss of matrix attachment.Nature461, 109-113.
Piskounova, E., Agathocleous, M., Murphy, M.M., Hu, Z., Huddlestun, S.E., Zhao, Z., Leitch, A.M., Johnson, T.M., DeBerardinis, R.J., and Morrison, S.J. (2015). Oxidative stress inhibits distant metastasis by human melanoma cells.Nature527, 186-191.
Jiang, L., Shestov, A.A., Swain, P., Yang, C., Parker, S.J., Wang, Q.A., Terada, L.S., Adams, N.D., McCabe, M.T., Pietrak, B., et al. (2016). Reductive carboxylation supports redox homeostasis during anchorage-independent growth.Nature532, 255-258.
TAG:脂肪 |