隨著醫療水平的高速發展，惡性腫瘤的發生髮展機制及治療方式的研究不斷深入和優化，給癌症患者帶來了更多的生存機會，癌症，似乎已不再是絕症。
然而，當癌細胞從原發部位轉移到其他組織、器官等，癌症的治療將變得相當棘手，癌細胞的轉移正是造成癌症患者高死亡率的主要原因[1]。那麼，癌細胞是如何獲得侵襲能力，從原發灶轉移到其他部位的呢？回答這個問題將是從源頭上解決癌細胞轉移的關鍵步驟。
細胞代謝的重編程對腫瘤的發展及轉移有著重大的影響，腫瘤細胞的代謝物，可以推動腫瘤的侵襲和轉移， 代謝途徑的改變是癌細胞獲得轉移能力的關鍵途徑之一，對腫瘤微環境水平上發生的代謝改變的研究，為靶向治療提供了新途徑，也是目前抗腫瘤領域的研究熱點。
近期，來自美國康奈爾大學威爾康奈爾醫學院的John Blenis與Ana P. Gomes研究團隊，在 Nature Metabolism 上發表了一項重要研究進展[2]。
他們的研究首次發現，癌細胞中丙酸代謝失調能夠促進癌細胞的侵襲能力，增加了它們的轉移潛能。並且證實， 這是通過下調腫瘤細胞內甲基丙二醯輔酶A差向異構酶（MCEE）而實現的。
John Blenis/Ana P. Gomes團隊的研究結果表明，MCEE的缺失導致丙酸代謝的副產物甲基丙二酸（MMA）在細胞內和腫瘤內積聚，而他們團隊在前期研究中已經證實MMA的過度積累能夠促進癌細胞侵襲性[3]。
接下來我們就一起來看看John Blenis/Ana P. Gomes團隊是如何開展這個研究的。
鑒於癌細胞的代謝變化是癌細胞獲取轉移能力的關鍵因素，John Blenis/Ana P. Gomes團隊在前期研究基礎上，再次聚焦腫瘤進展時經歷的代謝改變。
首先，研究人員以小鼠三陰性乳腺癌細胞系4T1細胞構建了乳腺癌肺轉移模型，檢測了乳腺癌原發部位及肺轉移瘤部位的腫瘤代謝物，並對這些代謝物進行了通路富集分析。他們發現一個有趣的現象， 丙酸代謝通路在肺轉移瘤中富集，而丙酸代謝的副產物MMA在他們的前期研究中已經被證實有助於增加癌細胞的侵襲性[3]。基於這些結果，研究人員假設三陰性乳腺癌（TNBC）細胞可能擾亂丙酸代謝來積累MMA，從而提高轉移的成功率。
為了檢測腫瘤內MMA水平的增加是否與轉移相關，研究人員使用液相色譜-串聯質譜（LC-MS/MS）測定了4T1乳腺腫瘤小鼠模型中原發腫瘤的MMA濃度，並與轉移瘤進行比較，實驗結果表明， 轉移瘤中MMA濃度顯著高於原發腫瘤（圖1d）。
圖 1 MMA在乳腺癌轉移中上調
人類乳腺癌細胞也具有類似的結果。研究人員檢測了人乳腺上皮細胞系、雌激素受體/孕激素受體/HER2受體陽性的人乳腺癌細胞系及四個具有高轉移能力的人TNBC細胞系（圖1f）。與其他細胞系相比，具有高轉移性的TNBC細胞系中MMA水平的顯著增加，這些結果表明， MMA的產生可能對TNBC的成功轉移至關重要。
接下來，為了確定MMA的來源，研究者們利用 13 C標記相關代謝途徑，結果表明， 腫瘤細胞內MMA的主要來自丙酸代謝途徑中，支鏈胺基酸（BCAAs）和奇數鏈脂肪酸（OCFAs）的分解代謝。
隨後，為了確定MMA是如何增加的，研究者們檢測了丙酸代謝相關酶的表達。 當使用TGF-β/TNF-α抑制MCEE後，便會促使副產物MMA在腫瘤細胞內的積累。此外，研究人員還發現MCEE的缺失與4T1的轉移能力相關，與局部侵襲亞型的細胞系相比，廣泛轉移亞型的MCEE表達量降低。
不僅如此，研究人員在人肺癌細胞系A549細胞中也驗證了TGF-β/TNF-α能夠促進MMA的積累，且與抑制MCEE的表達相關(圖2b，c)，表明丙酸代謝異常導致的MMA積累並不是TNBC所特有的。
圖 2 在 A549 細胞系中 MMA和 MCEE的表達水平也是通過TGF-β/TNF-α信號調控的
那麼，MCEE的表達是如何改變的呢？
為了解答這一問題，研究人員進行了更深入的研究。由於大部分轉移過程源於轉錄重編程驅動的基因表達變化[4,5]；因此，研究人員認為MCEE表達的減少也是轉錄改變的結果。實驗結果表明， 用TGF-β/TNF-α作用後，MCEE的mRNA水平顯著下調（圖3f，g），以及MCEE啟動子活性顯著喪失。
圖 3 轉移信號通過調控MCEE的的表達導致MMA的產生
通過對MCEE啟動子區域的分析，研究人員發現轉錄因子SP1/早期生長反應蛋白1（SP1/EGR1）結合位點重疊，這兩個位點都是細胞外信號調節激酶（ERK）的下游效應器（圖4i）。不僅如此，他們先前研究已經證明，重疊的SP1/EGR1結合位點可以作為ERK2信號下游的開關，即當ERK2啟動子的正調控因子SP1被去磷酸化後，負調控因子EGR1會被相應的誘導，取代SP1並促進轉錄抑制[6]。
TGF-β/TNF-α正是通過ERK2，將MCEE啟動子區域的正調節因子SP1去磷酸化，並被負調節因子EGR1取而代之，從而抑制MCEE的表達，促進MMA的生成。
圖 4 MCEE啟動子中SP1和EGR1結合位點的示意圖及作用機制
為了尋找丙酸代謝失調與轉移進展之間的關係， 研究者敲除MCEE、導致MMA的水平增加，這些改變足以使MCF-10A、HCC1806和A549細胞中與癌症進展相關的促侵襲性標記物的表達升高，包括上皮間質轉化（EMT）和間充質標記物的增加（圖5 a，b，c）。
圖 5 敲除MCEE能夠誘導促侵襲重編程
綜上所述，John Blenis/Ana P. Gomes團隊的這項研究證明，癌細胞本身可以通過改變高度侵襲性腫瘤（如TNBCs）的丙酸代謝來增加MMA水平，從而使它們能夠進行轉移前重編程。通過抑制MCEE的轉錄，丙酸代謝受阻，導致MMA的積累。除此之外，研究還對MUT、PCC等丙酸代謝途徑中的其他關鍵酶的類似作用進行了分析，在此不一一贅述。
總的來說，John Blenis/Ana P. Gomes團隊揭示了癌細胞能夠以內源性代謝副產物的積累為中心，獲得疾病進展所必需的攻擊力。本研究圍繞丙酸代謝途徑的各個節點，驗證了丙酸代謝失調能夠增強癌細胞的侵襲性，促進癌細胞的轉移，為治療癌症轉移提供了一個潛在靶標。
參考文獻：
[2] Gomes A P, Ilter D, Low V, et al. Altered propionate metabolism contributes to tumour progression and aggressiveness[J]. Nature Metabolism, 2022, 4(4): 435-443.
[3] Gomes A P, Ilter D, Low V, et al. Age-induced accumulation of methylmalonic acid promotes tumour progression[J]. Nature, 2020, 585(7824): 283-287.
[4] Gomes A P, Ilter D, Low V, et al. Dynamic Incorporation of Histone H3 Variants into Chromatin Is Essential for Acquisition of Aggressive Traits and Metastatic Colonization[J]. Cancer Cell, 2019, 36(4): 402-417.e13.
[5] Iwamoto T, Niikura N, Ogiya R, et al. Distinct gene expression profiles between primary breast cancers and brain metastases from pair-matched samples[J]. Scientific Reports, 2019, 9(1): 13343.
[6] Gomes A P, Ilter D, Low V, et al. Dynamic Incorporation of Histone H3 Variants into Chromatin Is Essential for Acquisition of Aggressive Traits and Metastatic Colonization[J]. Cancer Cell, 2019, 36(4): 402-417.e13.
本文作者丨朱 穎