|
磷脂酰肌醇激酶PI3K作为细胞代谢和生长的主要调节分子，控制着细胞营养摄取、能量生成、辅因子产生和大分子生物合成等重要生物学过程，可以被认为是驱动细胞代谢的核心力量。在肿瘤中，PI3K是乳腺癌的主要驱动因素，其突变以及活性改变等是多种癌症复发的重要原因。然而，PI3K是如何操控核心代谢程序的？目前对它的理解还不够完善。近日，哈佛医学院贝斯以色列女执事医疗中心的Christian C. Dibble和Alex Toker研究小组在Nature杂志上发表题为PI3K drives the de novo synthesis of coenzyme A from vitamin B5的研究论文，在这篇研究论文中，作者基于质谱的代谢组学和同位素追踪，发现PI3K信号显著刺激了辅酶A从维生素B5开始的头合成，确定了PI3K效应激酶AKT的底物PANK4，证明了PI3K-PANK4轴在调节VB5启动的辅酶A从头合成的关键作用，这项研究为Akt驱动的癌症研究带来了新见解。作者通过代谢组学筛选发现PI3K抑制增加了泛酸盐的浓度，泛酸盐是一种重要营养素，也称为维生素B5（VB5）。VB5能够特异性地与半胱氨酸和ATP结合从而启动辅酶A的从头生物合成【1】（图1）。辅酶A是细胞内活化酰基的主要载体【2】，在体内多种核心代谢途径例如营养分解代谢和脂质合成中都起着重要的作用。为了搞清楚PI3K、VB5、辅酶A三者之间的联系，作者采用13C315N1标记VB5，进行了LC-MS/MS分析（图1），PI3K抑制完全阻断了胰岛素诱导的辅酶A和乙酰辅酶A的增加，初步结果表明PI3K调节辅酶A的合成。PI3K调节代谢的主要效应因子之一是蛋白激酶AKT，抑制AKT显著降低了胰岛素刺激的辅酶A合成并增加了VB5的积累。然而，辅酶A合成途径中的众多酶中，谁又会是AKT的底物呢？作者分析了AKT底物共有基序（RXRXXS/T，其中R为精氨酸；X为任何氨基酸；S/T为磷酸化丝氨酸或苏氨酸）（图2）并进行了抗体检测，最终锁定了底物PANK2和PANK4。为了确定PANK2和PANK4是否介导了辅酶A合成的AKT依赖性调节，作者采用了PANK的激酶抑制剂、siRNA以及CRISPR敲除实验，确认PANK4在CoA合成中发挥调节功能。作者分别在野生型PANK4、磷酸化缺陷型PANK4（T406A）的PANK4-KO细胞中检测了辅酶A的合成，发现PANK4抑制辅酶A合成。于是作者还想进一步确定PANK4抑制辅酶A合成的分子机制。基于MS的脂质组学分析表明，PANK4以依赖于其磷酸酶活性和磷酸化状态的方式显著改变细胞脂质谱，说明辅酶A依赖性脂肪酸合成和/或脂质组装受损。此外，表达PANK4的细胞表现出磷酸酶活性依赖性的耗氧量减少，说明线粒体呼吸受损。PANK4抑制细胞增殖的能力、抑制集落形成的能力、以及在原位乳腺异种移植小鼠模型中抑制肿瘤发生的能力完全取决于其磷酸酶活性。总而言之，这项研究表明与代谢物介导的反馈相结合，PI3K-AKT信号通过辅酶A从头合成途径调节代谢流（图3）。此外，这项研究还揭示了胞浆中高度保守的PANK4的特定细胞功能--调节VB5启动的辅酶A从头合成。除了调节辅酶A合成速率之外，未来的研究方向例如：PANK4可能还会有其他有待探索的调控路径，包括激素和生长因子相关信号调控；或者可以尝试评估抑制PANK4磷酸酶活性以增加泛酸激酶相关神经退行性变患者辅酶A合成的治疗潜力；或选择性抑制PI3K依赖性癌症患者的辅酶A合成进行肿瘤治疗等等。同期的Nature NEWS AND VIEWS还发表了一篇德国癌症研究中心Philipp Poeller 和Almut Schulze对这篇论文的点评Cancer metabolism pumped up by Akt protein，重点讨论了这项研究对肿瘤代谢领域的影响【3】：Akt蛋白的突变形式可能是癌症代谢的主要驱动因素，Akt促进代谢分子辅酶A合成的机制拓宽了学术界对蛋白质活性的理解。https:///10.1038/s41586-022-04984-81. Leonardi, R., Zhang, Y.-M., Rock, C. O. & Jackowski, S. Coenzyme A: back in action. Prog. Lipid Res. 44, 125–153 (2005).2. Pietrocola, F., Galluzzi, L., Pedro, J. M. B.-S., Madeo, F. & Kroemer, G. Acetyl coenzyme A: a central metabolite and second messenger. Cell Metab. 21, 805–821 (2015).3. Philipp Poeller & Almut Schulze. Akt protein boosts cancer metabolism through a two-pronged attack. Nature. NEWS AND VIEWS (2022).
|
