Cell Rep：蛋白质组学揭示癌变过程中能量代谢途径变化

编者按：

太阳紫外线B（UVB）辐射是导致非黑色素瘤皮肤癌（NMSC）主要环境因素。UVB一个主要有害作用是诱导DNA结构的改变，促使DNA损伤应答网络，从而降低DNA损伤修复能力，导致细胞衰老或凋亡。当前许多研究发现能量代谢与肿瘤有着必然联系，但对于癌变中能量代谢途径的变化情况研究甚少。

近日（6月19日），法国波尔多大学的Hosseini等人在著名学术期刊Cell Report上发表论文，通过高通量蛋白质组学对小鼠皮肤癌癌变过程中能量代谢途径变化进行了研究分析。研究发现癌变前后糖酵解、TCA循环、脂肪酸氧化物、电子传输链（ETC）等代谢途径变化存在差异，抑制线粒体DHODH的活性可抑制癌变的发生，揭示了能量代谢途径的调控在防治早期肿瘤的重要作用。

此外，许多研究表明酰化修饰在糖酵解、TCA循环及脂肪酸氧化途径中广泛发生。如2013年Nature上发现PKM2琥珀酰化水平的改变影响巨噬细胞糖酵解作用[3]。这也暗示着可从酰化修饰角度去探究肿瘤的发生过程变化（JPR: 一张丙二酰化草图意外的揭示了能量代谢的奥秘）。肿瘤的发病、转移过程中，在蛋白质水平有许多未知等待挖掘。

1

研究速读

1、皮肤癌癌变前后代谢途径存在特异性差异

首先，研究人员将皮肤癌变阶段，分为皮肤增生（hyperplasic）, 光化性角化病(AK, promotion phase), 癌周皮肤（peritumoral skin）, 和磷状细胞癌 (SCCs, progression stage) 四个组别，进行了大规模的蛋白质组学数据分析。研究发现小鼠能量代谢途径的改变与人类样本极其相似，四样本中皮肤增生, 光化角质化，和癌周组织几个阶段代谢途径的改变很类似，但却异于癌变后组织样本。主要表现为癌变前样本的脂肪生物合成酶下降，参与糖酵解途径的相关酶上升，而癌变后样本呈相反趋势。因此表明皮肤癌癌变前与癌变组织相比存在特异性的代谢途径差异。

图1 皮肤癌变不同阶段代谢途径变化

2、UVB照射抑制糖酵解，TCA循环和脂肪酸氧化途径蛋白表达

将长期UVB辐射8周后作为癌变起始阶段，通过蛋白质组学分析表明，UVB照射后涉及糖酵解、TCA循环、脂肪酸β氧化途径的蛋白质表达水平显著降低，ETC远端途径蛋白表达上调（图2）。通过代谢物鉴定与蛋白质组学技术结合对糖酵解，TCA循环，脂肪酸氧化和氧化磷酸化进行了更详细分析，发现长期UVB辐射导致丙酮酸脱氢酶（PDH）作用下降从而降低乙酰基CoA水平及葡萄糖消耗，ETC（电子传递链）远端部分特异性增加，说明长期UVB照射的皮肤中需求高的细胞能量。最终数据分析表明，长期的UVB照射导致糖酵解途径，TCA循环，脂肪酸β氧化途径减弱；氧化磷酸化远端途径增加。

图2  UVB照射后能量代谢途径蛋白质水平下降

3、DHODH维持高水平的氧化磷酸化水平

随后研究人员运用蛋白质组学技术方法，针对葡萄糖消耗降低机理进行了分析。对细胞内游离氨基酸代谢物分析表明，长期UVB照射后谷氨酰胺消耗增加，天门冬氨酸作为关键性碳源候补底物，两者的嘧啶合成途径中相关的酶含量显著性增加（图3）。二氢乳清酸脱氢酶(DHODH)是免疫相关疾病的重要靶点，通过将二氢乳清酸盐转化为乳清酸盐，并将泛醌还原为泛泛醇，因此怀疑DHODH与增加的谷氨酰胺和氧消耗之间存在必然联系。

图3 嘧啶生物合同途径在UVB照射后小鼠皮肤蛋白质组变化

对DHODH蛋白酶的定量分析发现，其蛋白表达水平和酶活性在辐射后皮肤组织中上升。使用DHODH抑制剂特立氟胺(Teriflunomide)处理辐射后皮肤组织，发现细胞中天门冬氨酸向乳清酸转变受到抑制。表明辐射细胞中还原谷氨酰氨代谢和DHODH活性改变维持了高水平的氧化磷酸化水平。

4、抑制线粒体DHODH的活性可以抑制癌变的发生

最后研究人员构建了Tfam角质细胞条件性敲除小鼠（Mitochondrial Transcription Factor A,是线粒体主要的DNA转录因子，调节编码EtC亚基的线粒体基因）进行验证，研究结果发现DHODH抑制剂LFN处理后的小鼠早期表现出UVB相关表型，但是直到30周却没有发展成光化性角化病（AK）或角化瘤（Keratotic Tumors）。而对照小鼠在早期表现正常，后期发展为光化性角化病或角化瘤。对UVB照射后DNA修复实验表明，LFN处理后小鼠的CPD修复率降低，是为了延缓细胞周期进程，导致细胞凋亡增加。而这种DNA修复能力降低和细胞凋亡增加与嘧啶生物合成减少有关。

图4 抑制线粒体DHODH的活性可以抑制癌变的发生

5、DHODH随人体皮肤癌变不同阶段表达增加

最后对人组织样本进行DHODH蛋白检测发现，DHODH在UVB诱导肿瘤早期不同阶段上升，并且一直保持到肿瘤发生。在健康人皮肤中DHODH主要表皮基底层表达，而在表皮增生, 光化性角化病和侵袭性SCC等疾病中显示DHODH在细胞质弥漫性表达，维持升高状态（图5）。

图5 DHODH在皮肤癌变不同阶段存在上调

2

小结

越来越多的证据表明能量代谢在肿瘤的发生发展中起着重要作用，但关于肿瘤发生初期中能量代谢变化信息却极少。本文通过定量蛋白质组等多组学方法，发现癌变前后在，糖酵解，TCA循环，脂肪酸氧化物，电子传输链的变化存在异同。抑制线粒体DHODH的活性可以抑制癌变的发生，表明通过能量代谢途径的调控在防治早期肿瘤有着重要作用。

参考文献：

[1] Hosseini M, et al, (2018). Energy Metabolism Rewiring precedes UVB-induced primary skin tumor formation. Cell Rep.

[3] G. M. Tannahill, et al, (2013). Succinate is an inflammatory signal that induces IL-1b through HIF-1a. Nature.