《自然・代谢》：丙酸不调，肿瘤加倍！

随着医疗水平的高速发展，恶性肿瘤的发生发展机制及治疗方式的研究不断深入和优化，给癌症患者带来了更多的生存机会，癌症，似乎已不再是绝症。

然而，当癌细胞从原发部位转移到其他组织、器官等，癌症的治疗将变得相当棘手，癌细胞的转移正是造成癌症患者高死亡率的主要原因[1]。那么，癌细胞是如何获得侵袭能力，从原发灶转移到其他部位的呢？回答这个问题将是从源头上解决癌细胞转移的关键步骤。

细胞代谢的重编程对肿瘤的发展及转移有着重大的影响，肿瘤细胞的代谢物，可以推动肿瘤的侵袭和转移，代谢途径的改变是癌细胞获得转移能力的关键途径之一，对肿瘤微环境水平上发生的代谢改变的研究，为靶向治疗提供了新途径，也是目前抗肿瘤领域的研究热点。

近期，来自美国康奈尔大学威尔康奈尔医学院的John Blenis与Ana P. Gomes研究团队，在Nature Metabolism上发表了一项重要研究进展[2]。

他们的研究首次发现，癌细胞中丙酸代谢失调能够促进癌细胞的侵袭能力，增加了它们的转移潜能。并且证实，这是通过下调肿瘤细胞内甲基丙二酰辅酶A差向异构酶（MCEE）而实现的。

John Blenis/Ana P. Gomes团队的研究结果表明，MCEE的缺失导致丙酸代谢的副产物甲基丙二酸（MMA）在细胞内和肿瘤内积聚，而他们团队在前期研究中已经证实MMA的过度积累能够促进癌细胞侵袭性[3]。

接下来我们就一起来看看John Blenis/Ana P. Gomes团队是如何开展这个研究的。

鉴于癌细胞的代谢变化是癌细胞获取转移能力的关键因素，John Blenis/Ana P. Gomes团队在前期研究基础上，再次聚焦肿瘤进展时经历的代谢改变。

首先，研究人员以小鼠三阴性乳腺癌细胞系4T1细胞构建了乳腺癌肺转移模型，检测了乳腺癌原发部位及肺转移瘤部位的肿瘤代谢物，并对这些代谢物进行了通路富集分析。他们发现一个有趣的现象，丙酸代谢通路在肺转移瘤中富集，而丙酸代谢的副产物MMA在他们的前期研究中已经被证实有助于增加癌细胞的侵袭性[3]。基于这些结果，研究人员假设三阴性乳腺癌（TNBC）细胞可能扰乱丙酸代谢来积累MMA，从而提高转移的成功率。

为了检测肿瘤内MMA水平的增加是否与转移相关，研究人员使用液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）测定了4T1乳腺肿瘤小鼠模型中原发肿瘤的MMA浓度，并与转移瘤进行比较，实验结果表明，转移瘤中MMA浓度显著高于原发肿瘤（图1d）。

图 1 MMA在乳腺癌转移中上调

人类乳腺癌细胞也具有类似的结果。研究人员检测了人乳腺上皮细胞系、雌激素受体/孕激素受体/HER2受体阳性的人乳腺癌细胞系及四个具有高转移能力的人TNBC细胞系（图1f）。与其他细胞系相比，具有高转移性的TNBC细胞系中MMA水平的显著增加，这些结果表明，MMA的产生可能对TNBC的成功转移至关重要。

接下来，为了确定MMA的来源，研究者们利用13C标记相关代谢途径，结果表明，肿瘤细胞内MMA的主要来自丙酸代谢途径中，支链氨基酸（BCAAs）和奇数链脂肪酸（OCFAs）的分解代谢。

随后，为了确定MMA是如何增加的，研究者们检测了丙酸代谢相关酶的表达。当使用TGF-β/TNF-α抑制MCEE后，便会促使副产物MMA在肿瘤细胞内的积累。此外，研究人员还发现MCEE的缺失与4T1的转移能力相关，与局部侵袭亚型的细胞系相比，广泛转移亚型的MCEE表达量降低。

不仅如此，研究人员在人肺癌细胞系A549细胞中也验证了TGF-β/TNF-α能够促进MMA的积累，且与抑制MCEE的表达相关(图2b，c)，表明丙酸代谢异常导致的MMA积累并不是TNBC所特有的。

图 2 在 A549 细胞系中 MMA和 MCEE的表达水平也是通过TGF-β/TNF-α信号调控的

那么，MCEE的表达是如何改变的呢？

为了解答这一问题，研究人员进行了更深入的研究。由于大部分转移过程源于转录重编程驱动的基因表达变化[4,5]；因此，研究人员认为MCEE表达的减少也是转录改变的结果。实验结果表明，用TGF-β/TNF-α作用后，MCEE的mRNA水平显著下调（图3f，g），以及MCEE启动子活性显著丧失。

图 3 转移信号通过调控MCEE的的表达导致MMA的产生

通过对MCEE启动子区域的分析，研究人员发现转录因子SP1/早期生长反应蛋白1（SP1/EGR1）结合位点重叠，这两个位点都是细胞外信号调节激酶（ERK）的下游效应器（图4i）。不仅如此，他们先前研究已经证明，重叠的SP1/EGR1结合位点可以作为ERK2信号下游的开关，即当ERK2启动子的正调控因子SP1被去磷酸化后，负调控因子EGR1会被相应的诱导，取代SP1并促进转录抑制[6]。

TGF-β/TNF-α正是通过ERK2，将MCEE启动子区域的正调节因子SP1去磷酸化，并被负调节因子EGR1取而代之，从而抑制MCEE的表达，促进MMA的生成。

图 4 MCEE启动子中SP1和EGR1结合位点的示意图及作用机制

为了寻找丙酸代谢失调与转移进展之间的关系，研究者敲除MCEE、导致MMA的水平增加，这些改变足以使MCF-10A、HCC1806和A549细胞中与癌症进展相关的促侵袭性标记物的表达升高，包括上皮间质转化（EMT）和间充质标记物的增加（图5 a，b，c）。

图 5 敲除MCEE能够诱导促侵袭重编程

综上所述，John Blenis/Ana P. Gomes团队的这项研究证明，癌细胞本身可以通过改变高度侵袭性肿瘤（如TNBCs）的丙酸代谢来增加MMA水平，从而使它们能够进行转移前重编程。通过抑制MCEE的转录，丙酸代谢受阻，导致MMA的积累。除此之外，研究还对MUT、PCC等丙酸代谢途径中的其他关键酶的类似作用进行了分析，在此不一一赘述。

总的来说，John Blenis/Ana P. Gomes团队揭示了癌细胞能够以内源性代谢副产物的积累为中心，获得疾病进展所必需的攻击力。本研究围绕丙酸代谢途径的各个节点，验证了丙酸代谢失调能够增强癌细胞的侵袭性，促进癌细胞的转移，为治疗癌症转移提供了一个潜在靶标。

参考文献：

[1] Dillek s H, Rogers M S, Straume O. Are 90% of deaths from cancer caused by metastases?[J]. Cancer medicine, 2019, 8(12): 5574-5576.

[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.

[7] Vashi P, Edwin P, Popiel B, et al. Methylmalonic Acid and Homocysteine as Indicators of Vitamin B-12 Deficiency in Cancer[J]. PloS one, 2016, 11(1): e0147843-e0147843.

本文作者丨朱 颖

责任编辑丨代丝雨