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『乳酸化修饰潜在应用方向』—— 调控鳞状细胞癌增殖

精准医学与蛋白组学

2021.3.15

景杰学术 | 报道

阿尔伯特·爱因斯坦曾在写给一位年轻德国战士的信中说道：“离开战场，回归学术吧！对于这个世界来说，失去您的才华将是一个悲剧。”这位被爱因斯坦如此看重的人便是伟大的科学家——奥托·海因里希·瓦博格 (Otto Heinrich Warburg)。在长达65年的学术研究中，瓦博格曾因发现呼吸酶的性质及作用方式被授予1931年诺贝尔生理学或医学奖；肿瘤细胞代谢领域，他还首次发现肿瘤细胞在有氧条件下糖酵解功能 (aerobic glycolysis) 异常增强 (即“Warburg效应”) 这一肿瘤代谢标志性特征，这些开创性的研究结果都对自然科学产生了极其深远的影响。

继肿瘤细胞后，包括瓦博格在内的许多研究人员实际上也在白细胞活化过程中观察到了类似肿瘤细胞的代谢重编程 (metabolic reprogramming) 现象，即便如此，Warburg效应仍在相当长的一段时间内被广泛地误认为是肿瘤细胞独有的代谢特征。直到21世纪初，Warburg效应在骨髓细胞、淋巴细胞等诸多免疫细胞增殖过程中被陆续报道，科学界才渐渐摒弃了曾经对Warburg效应的错误认识。如今，越来越多的科学研究已证明，Warburg效应在调控免疫、血管生成、多能性、生殖和病原体感染等生命活动的诸多细胞类型中都扮演着重要的角色。不仅如此，研究还发现，Warburg效应也参与许多非哺乳动物 (疟原虫、弓形虫) 细胞的发育过程。因此，有学者提出，Warburg效应实质上是细胞快速增殖过程的共同特征。然而，关于细胞增殖进程中Warburg效应的具体作用及相关调控分子机制目前仍未完全阐明。

从代谢产物来看，Warburg效应将直接引起细胞ATP合成能力大幅下降，以及乳酸 (lactate) 含量显著增加。理论上，ATP减少不会是促进细胞增殖的主要原因，这也使得乳酸成为了Warburg效应研究的焦点。已有研究表明，乳酸不仅是肿瘤细胞最重要的直接营养来源，它还可以通过酸化免疫微环境 (tumor microenvironment, TME)、提高肿瘤耐药蛋白质表达等多种方式，促进肿瘤的生长、增殖、转移、抗药性以及免疫抑制性。更为重要的是，2019年芝加哥大学赵英明教授团队首次突破性地发现，乳酸是重要的表观遗传调控分子，它可以通过组蛋白乳酸化修饰 (lactylation) 作用，调控巨噬细胞极化相关基因的表达，相关研究结果发表在国际顶级学术期刊Nature杂志 [1]。至此，蛋白质乳酸化修饰成为了Warburg效应以及乳酸在细胞功能调控中最下游的分子机制。结合以上这些证据，我们有理由相信，糖酵解功能相关蛋白质及蛋白质乳酸化修饰位点将会成为肿瘤等一系列疾病的热门治疗靶点；而那些与Warburg效应密切相关的生理、病理机制研究，也将必定是值得深入挖掘乳酸化修饰调控作用的潜在方向。

为了更好地服务于广大读者的科研工作，景杰生物学术团队将从本期开始，陆续选登生命科学领域内与Warburg效应、乳酸功能密切相关的科研成果，开拓乳酸化修饰潜在运用领域，希望读者密切关注。

肿瘤扩增细胞 (tumour-propagating cells, TPCs)，又名肿瘤干细胞 (cancer stem cells, CSCs)，是肿瘤中存在的极小部分具有自我更新能力并能多向分化产生异质性肿瘤细胞的一类细胞。TPCs在调控多种恶性肿瘤的生存、复发、转移、治疗抵抗、免疫抵抗等过程中都发挥着关键作用。理论上，精准靶向抑制TPCs功能将从根本上治愈肿瘤。然而，目前科学界对TPCs的本质特征还知之甚少，肿瘤干细胞靶向治疗仍面临艰巨挑战。重要的是，考虑到不同肿瘤之间甚至在同种肿瘤不同区域内都存在明显的代谢异质性 (metabolic heterogeneity)，以至于TPCs中是否存在Warburg效应仍一无所知。

2021年2月22日，哈佛大学医学院麻省总医院癌症中心Raul Mostoslavsky教授联合美国、西班牙、意大利等多国研究人员，在Nature子刊Nature Metabolism上发表题为“A unique subset of glycolytic tumour-propagating cells drives squamous cell carcinoma”的研究论文[2]。他们首次在鳞状细胞癌 (squamous cell carcinoma, SCC) 中发现，去乙酰化酶SIRT6的缺失将导致糖酵解性TPCs明显富集，进而提升TPCs致瘤能力，产生更具侵袭性的肿瘤表型。

一、SIRT6负向调控有氧糖酵解抑制SCC

SIRT6是一类NAD(+)依赖的组蛋白去乙酰化酶。已有研究报道，SIRT6可以通过组蛋白H3K9/K56去乙酰化修饰作用，抑制HIF-1α介导的糖酵解基因 (GLUT1, PDK1, LDHA) 表达，影响葡萄糖代谢稳态；并且，SIRT6拷贝数丢失的头颈部鳞状细胞癌 (HNSCC) 患者生存期较短。在本次研究中，为了更好地阐述SIRT6在SCC发生中所扮演的角色，研究人员构建了皮肤组织Sirt6条件性敲除小鼠 (Sirt6 cKO)，并利用致癌物质DMBA和TPA诱导SCC。结果表明，Sirt6 cKO提早了肿瘤启动的时间，并导致肿瘤体积明显增大；此外，Sirt6 cKO小鼠肿瘤组织中，增殖细胞核抗原 (proliferating cell nuclear antigen, PCNA) 阳性细胞数量增加，提示SIRT6缺失促进了SCC的发生与发展。值得注意的是，体外喂养丙酮酸脱氢酶抑制剂DCA抑制糖酵解功能后，Sirt6 cKO小鼠肿瘤发生则被明显抑制，这一证据强调了有氧糖酵解在促进SCC增殖中的关键作用。随后，研究人员在SCC肿瘤基底层中发现，GLUT1表达量和PDH磷酸化修饰水平明显升高，提示糖酵解功能增强。而在诸多人SCC样本中，SIRT6基因表达水平也与一些糖酵解基因呈负相关。

图1 SIRT6抑制SCC增殖

二、糖酵解功能增强导致TPCs数量增加

在对SCC肿瘤基底层中高表达GLUT1的肿瘤细胞 (GLUT1+) 进一步分析后，研究人员发现，这类细胞同时高表达CD34和SOX9；另一方面，CD34+/SOX9+毛囊干细胞却没有表达GLUT1，证明糖酵解功能增强是TPCs的特异性特征。随后，研究人员进一步在WT和Sirt6 cKO小鼠皮肤SCC中分离了TPCs，并观察到，SIRT6的缺失导致了肿瘤组织中TPCs的数量明显增加；而糖酵解抑制剂DCA则显著降低了所有实验鼠肿瘤中TPCs所占百分比。以上结果共同表明，Sirt6 cKO通过上调糖酵解性TPCs数量，维持并促进肿瘤生长。

图2 SCC中糖酵解性TPCs

三、肿瘤细胞糖酵解功能的改变依赖SIRT6活性

在验证SIRT6缺失引起的肿瘤细胞糖代谢改变时，研究人员在几乎不表达SIRT6的人口腔鳞状肿瘤细胞株HSC-2中过表达SIRT6，引起H3K9/K56乙酰化修饰水平降低，抑制了糖酵解基因表达以及糖酵解功能；稳定同位素示踪技术标记葡萄糖也显示，糖酵解途径中间代谢产物果糖-6-磷酸、丙酮酸、乳酸的含量都明显减少。但在HSC-2中，过表达无催化活性的突变体SIRT6 H133Y则不影响糖酵解功能。这些证据表明，SIRT6确实在调控SCC糖酵解功能中发挥着核心作用。

图3 SIRT6对SCC糖酵解功能的调节作用

四、糖酵解性TPCs谷胱甘肽含量高且具有更好的抗氧化能力

在分析不同实验条件下差异表达基因情况时，研究人员发现Sirt6 cKO 上调了糖酵解性TPCs中谷胱甘肽 (GSH) 代谢相关基因表达。考虑到GSH在细胞抗氧化功能发挥着重要作用，此次研究进一步调查了Sirt6 cKO小鼠SCC中TPCs GSH含量以及抗氧化能力的改变。利用高空间分辨率基质辅助激光解吸电离 (MALDI) — 质谱成像 (MSI) 技术，研究人员发现，糖酵解性TPCs中GSH含量的确明显增加。此外，免疫组化结果也显示，Sirt6 cKO肿瘤组织中脂质过氧化反应标记物MDA与功能性TPCs标记物SOX2的表达情况互相独立，提示糖酵解性TPCs抗氧化能力增强。

图4 TPCs中GSH含量及氧化状态

本次研究中，利用小鼠SCC模型和人口腔鳞状肿瘤细胞系，研究人员首次证实了，糖酵解对TPCs核苷酸生物合成、抗氧化功能的促进作用，并证明糖酵解性TPCs介导了SIRT6对SCC增殖能力的调控作用，在此基础上，定义TPCs是引起SCC Warburg 效应的主要原因。这些结果，为将来开发靶向糖酵解性TPCs的全新肿瘤治疗策略提供了坚实的理论基础。除此之外，芝加哥大学赵英明教授团队于2019年在Nature杂志首次报道，糖酵解代谢产物乳酸也是重要的表观遗传调控分子，可以通过组蛋白乳酸化修饰调控基因表达 [1]。因此，SIRT6或许也能通过TPCs中某些未知蛋白质的乳酸化修饰作用调控肿瘤增殖，这也为后续研究提供了重要科学线索。

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