肝膽胰腫瘤

Nature子刊：浙大易文/周如鴻合作揭示糖基化調控胰腺癌新機制

2022-07-28肝膽胰腫瘤

胰腺癌是一種惡性程度極高的消化系統腫瘤，確診后患者的五年生存率僅為10%左右。代謝的改變是腫瘤細胞的重要特征之一。腫瘤細胞通過代謝重編程產生其快速增殖所需的物質、能量以及氧化還原力。癌基因Kras突變的胰腺導管腺癌（PDAC，胰腺癌中最常見的病理類型）的增殖高度依賴谷氨酰胺（Gln）分解代謝途徑。在該途徑中，Gln首先被轉化成天冬氨酸（Asp），隨后在谷草轉氨酶（GOT1）催化下形成草酰乙酸（OAA），OAA經蘋果酸脫氫酶（MDH1）催化進一步被轉化為蘋果酸（Malate），再經蘋果酸酶（ME1）氧化最終形成丙酮酸（Pyruvate）和NADPH；后者能提供還原當量，維持細胞內氧化還原平衡。該途徑對于PDAC細胞的增殖和存活至關重要，因此深入了解這一途徑的調控機制有助于為PDAC的臨床治療提供新的思路和靶點。

O-GlcNAc糖基化修飾是通過N-乙酰葡糖胺以β-糖苷鍵形式共價連接到蛋白質的絲氨酸（Ser）或蘇氨酸（Thr）羥基上的一種翻譯后修飾。該修飾是一種高度動態的修飾方式，會隨著細胞內的營養狀態和細胞外的刺激發生變化。該修飾廣泛發生在細胞內的蛋白上，并調控基因轉錄、信號傳導、蛋白合成和代謝重編程等重要的生物學過程。之前的研究表明O-GlcNAc糖基化修飾水平在PDAC中異常增高。然而O-GlcNAc糖基化調控PDAC發生發展的分子機制尚不清楚。

2022年7月25日，浙江大學生命科學學院易文教授課題組和周如鴻教授課題組合作在 Nature Chemical Biology 雜期刊在線發表了題為：O-GlcNAcylation promotes pancreatic tumor growth by regulating malate dehydrogenase 1 的研究論文。

該研究通過糖化學生物學、腫瘤生物學和計算生物學多學科交叉手段，揭示了O-GlcNAc糖基化調控谷氨酰胺代謝，促進PDAC生長的分子機制。

研究首先發現介導O-GlcNAc修飾的糖基轉移酶OGT的表達在胰腺癌病人組織中顯著升高；敲低OGT顯著抑制了PDAC細胞的Gln代謝，抑制了PDAC細胞增殖。

進一步研究發現O-GlcNAc修飾對Gln代謝途徑中的關鍵酶MDH1的功能有顯著影響。通過高分辨質譜結合點突變的方法鑒定出Ser189位為MDH1的糖基化修飾位點。體外的酶活實驗表明Ser189位上的糖基化可以增強其酶活性。靶向代謝組學實驗證實了MDH1糖基化促進Gln代謝和NADPH的產生。

此外，MDH1參與細胞內協調糖酵解和線粒體呼吸作用的蘋果酸-天冬氨酸穿梭途徑；MDH1糖基化會有利于NADH的再生，從而促進的線粒體的呼吸。小鼠體內成瘤實驗和臨床樣本分析也進一步驗證了MDH1 Ser189位的糖基化修飾對PDAC生長的促進作用。

圖1：MDH1 Ser189位的糖基化修飾促進了其酶活以及PDAC生長

為了進一步了解O-GlcNAc糖基化增強MDH1酶活性的分子機制，作者利用全原子分子動力學模擬對MDH1單體-底物（NADH，MAK）復合物在Ser189糖基化和非糖基化狀態下的動力學行為進行了探究。結果表明底物在糖基化情況下更加穩定，結合概率更高。這得益于Ser189 O-GlcNAc對底物結合口袋的保護，促使MDH1與底物，底物與底物之間相互作用增強；MDH1和底物之間增強的相互作用主要來自Ser189 O-GlcNAc與蛋白殘基Gln228、Gln229和Arg98的接觸貢獻。相應的三聯體突變（Q228A/Q229A/R98A）活性分析實驗也證實了這一觀察結果。

此外，與單體不同，MDH1二聚體在非糖基化和糖基化狀態下的底物結合并沒有表現出顯著差異。這可能是由于參與底物結合口袋的螺旋區域受到了二聚體界面相互作用的約束，不似單體中那樣靈活。總的來說，Ser189 O-GlcNAc可以充當“分子膠”的作用，通過穩定MDH1單體上的底物結合口袋，增強蛋白與底物，底物與底物之間的相互作用，來提高底物的結合及穩定性，最終促進MDH1的酶活性。