缺乏谷氨酰胺條件下，支鏈氨基酸分解代謝影響肝細(xì)胞癌進(jìn)展機(jī)制

最近的研究表明，除葡萄糖和谷氨酰胺外，用于產(chǎn)生能量和/或細(xì)胞構(gòu)建模塊的其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)也在許多癌細(xì)胞的重新編程代謝狀態(tài)中發(fā)揮潛在作用。其中之一便是支鏈氨基酸，支鏈氨基酸在癌癥進(jìn)展中扮演關(guān)鍵角色；然而，相關(guān)的機(jī)制細(xì)節(jié)仍不清楚且存在爭(zhēng)議。因此，在腫瘤發(fā)展過(guò)程中，明確支鏈氨基酸（BCAA）分解代謝的特定背景和詳細(xì)功能機(jī)制至關(guān)重要。

支鏈氨基酸約占肌肉蛋白中必須氨基酸的 35% 和食物供應(yīng)中必須氨基酸的近 50%。支鏈氨基酸的分解代謝途徑有幾個(gè)共同特征。每個(gè)過(guò)程的初始步驟都是轉(zhuǎn)氨作用，這是一種由支鏈氨基酸轉(zhuǎn)氨酶 1 (BCAT1) 或 BCAT2 催化的可逆反應(yīng)，產(chǎn)生相應(yīng)的支鏈酮酸 (BCKA)。BCKA包括 α-酮異己酸 (KIC)、α-酮異戊酸 (KIV) 和 α-酮-β-甲基戊酸 (KMV)，然后在支鏈酮酸脫氫酶 (BCKDH) 復(fù)合物的催化下進(jìn)行不可逆的氧化脫羧，其產(chǎn)物是 少一個(gè)碳的?；o酶 A (CoA) 衍生物。此后，途徑類(lèi)似于脂肪酸氧化，并產(chǎn)生可以進(jìn)入三羧酸循環(huán)的最終產(chǎn)物。異亮氨酸代謝的終產(chǎn)物是丙酰輔酶A和乙酰輔酶A；亮氨酸產(chǎn)生乙酰輔酶A，纈氨酸產(chǎn)生丙酰輔酶A。雖然在生理?xiàng)l件下途徑信息已經(jīng)確立，但在癌細(xì)胞中的BCAA代謝變化及分子基礎(chǔ)尚未明確，值得進(jìn)一步研究。

谷氨酰胺為氨基酸、蛋白質(zhì)和核酸的合成提供了氮源，也是三羧酸循環(huán)中間產(chǎn)物的碳源，被認(rèn)為對(duì)于腫瘤的存活至關(guān)重要。作為細(xì)胞中僅次于谷氨酰胺的第二豐富氮源，BCAA很可能成為能量產(chǎn)生和大分子新生的前體物質(zhì)。

2022年11月22日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)張華鳳教授課題組在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Cell Reports》上發(fā)表了題為“Branched-chain amino acid catabolism breaks glutamine addiction to sustain hepatocellular carcinoma progression”的學(xué)術(shù)文章。

在這項(xiàng)研究中，研究人員探討了谷氨酰胺缺乏條件下支鏈氨基酸分解代謝的作用。研究發(fā)現(xiàn)在缺乏谷氨酰胺的情況下，肝癌細(xì)胞中激活了BCAA的分解代謝。增強(qiáng)的BCAA分解代謝導(dǎo)致BCAA來(lái)源的碳和氮流向核苷酸合成，刺激細(xì)胞周期進(jìn)程并促進(jìn)細(xì)胞存活。從機(jī)制上看，在缺乏谷氨酰胺的條件下，O-GlcNAcylation 增加并穩(wěn)定了增加并穩(wěn)定了PPM1K蛋白，從而導(dǎo)致BCKDHA的去磷酸化，進(jìn)一步促使BCAA的分解代謝增強(qiáng)。BCKDHA的去磷酸化和PPM1K的高表達(dá)促進(jìn)了體外和體內(nèi)的腫瘤發(fā)生，并與肝細(xì)胞癌臨床患者的不良預(yù)后密切相關(guān)。抑制BCAA和谷氨酰胺代謝還可以進(jìn)一步抑制肝細(xì)胞癌的體內(nèi)生長(zhǎng)。該研究確定了在谷氨酰胺缺乏條件下 BCAA 分解代謝的激活作為肝癌的標(biāo)志，并表明去磷酸化的 BCKDHA 和高 PPM1K 表達(dá)是未來(lái)藥物開(kāi)發(fā)的潛在治療靶點(diǎn)。

為了研究在谷氨酰胺缺乏條件下是否進(jìn)行BCAA分解代謝，研究人員進(jìn)行了雙同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)。在誘導(dǎo)葡萄糖或谷氨酰胺饑餓之前，使用[U-13C, 15N]標(biāo)記的L-亮氨酸、L-異亮氨酸和L-纈氨酸（購(gòu)自CIL劍橋同位素）代替了培養(yǎng)基中未標(biāo)記的BCAA。在BCAA分解代謝過(guò)程中，氮示蹤物被納入下游代謝產(chǎn)物，如非必需氨基酸和核苷酸，而碳示蹤物則應(yīng)該出現(xiàn)在輔酶A衍生物和TCA中間產(chǎn)物中。高分辨率質(zhì)譜（HRMS）結(jié)果顯示，與正常條件和葡萄糖饑餓相比，谷氨酰胺饑餓觸發(fā)了BCAA分解代謝，導(dǎo)致15N和13C標(biāo)記的代謝產(chǎn)物顯著增加。雖然兩者都是營(yíng)養(yǎng)缺乏條件，但葡萄糖饑餓對(duì)BCAA分解代謝的影響較小，表明在不同的營(yíng)養(yǎng)條件下，BCAA分解代謝可能依賴(lài)于不同的調(diào)控機(jī)制。