《自然》子问题:为了获取胶原蛋白 肿瘤代谢异常

来源：奇点蛋糕2021-12-28 08:33

在肿瘤微环境中，成纤维细胞是肿瘤细胞的重要伙伴。成纤维细胞的主要职责是生成以胶原蛋白为代表的细胞外基质(ECM)，从而促进肿瘤细胞的发生和发展。在多种癌症中，细胞外基质蛋白的过度积累与癌症患者的不良预后高度相关。然而，在机体的肿瘤微环境中，成纤维细胞如何维持细胞外基质蛋白的产生仍不清楚。最近，为了纪念斯隆凯特琳癌症中心的克雷格

在肿瘤微环境中，成纤维细胞是细胞的重要伙伴。

成纤维细胞的主要职责是产生以胶原蛋白为代表的细胞外基质(ECM)，从而促进细胞的发生和发展。在多种癌症中，细胞外基质蛋白的过度积累与癌症患者的不良预后高度相关。

然而，在机体的微环境中，成纤维细胞如何维持细胞外基质蛋白的产生，目前尚不清楚。

最近，由克雷格汤普森教授领导的纪念斯隆凯特琳癌症中心的研究小组在《自然代谢》杂志上发表了重要的研究成果。

他们发现，在肿瘤微环境中，丙酮酸羧化酶(PC)介导的成纤维细胞TCA循环代谢产物的补充是维持细胞外基质产生的保证。他们的研究结果表明，聚碳酸酯有望成为抑制细胞外基质产生的潜在靶点。

肿瘤微环境(TME)是由细胞外基质蛋白交织而成的复杂空间网络。胶原蛋白是细胞外基质的主要成分。许多研究表明，异常胶原沉积与进展高度相关。

以往的体外研究表明，转化生长因子- (TGF-)可以促进成纤维细胞ECM的合成，而这一过程依赖于细胞对葡萄糖(Glc)和谷氨酰胺(Gln)的大量摄入。

但由于肿瘤组织中营养物质的过度消耗和血管的异常损伤，肿瘤中的葡萄糖、谷氨酰胺等营养物质非常匮乏，体内代谢产物通常处于营养缺乏供不应求的状态。

那么，在营养物质匮乏的微环境中，成纤维细胞是如何维持ECM的持续产生的呢？

为了找出这个问题，汤普森的团队探索了不同浓度的Gln对成纤维细胞基质合成的影响(100% Gln代表2mM Gln)。

发现在缺乏Gln的情况下，经TGF-处理的成纤维细胞增殖减慢，不能产生I型胶原。代谢分析显示，在低Gln和TGF-的共同作用下，成纤维细胞中的TCA循环中间体、谷氨酸、天冬酰胺和天冬氨酸显著减少。此外，在成纤维细胞补充-酮戊二酸(-KG，TCA循环的中间产物)和谷氨酸(Glu，谷氨酰胺合成的底物)后，TGF-可以再次诱导胶原的产生。

以上结果表明，TGF-促进成纤维细胞合成型胶原的过程依赖于Gln的水平。Gln缺乏及其对TCA循环代谢产物的下调可抑制TGF-介导的I型胶原合成。

A-c，不同浓度谷氨酰胺对成纤维细胞生长(a)、I型胶原产生(b)和TCA代谢物丰度(c)的影响；补充维生素D、-KG和谷氨酸对TGF-依赖性胶原合成的影响

除了谷氨酰胺，丙酮酸是另一个重要的碳源，可以补充TCA循环。细胞中的丙酮酸一般由葡萄糖代谢产生。在丙酮酸羧化酶(PC)的作用下，丙酮酸将转化为草酰乙酸并纳入TCA循环。因此，Thompson的团队希望进一步探索这种PC介导的TCA补充剂是否也能调节成纤维细胞的ECM合成。

实验结果表明，在低Gln条件下，敲除成纤维细胞中的PC后，型胶原的合成明显减少。同时，他们利用[U-13C]葡萄糖的代谢示踪实验证实，在成纤维细胞中敲除PC确实减少了葡萄糖对TCA中间代谢物的补充和Gln的产生。

这些结果表明，在低Gln条件下，成纤维细胞依靠PC通过葡萄糖-丙酮酸途径补充TCA代谢物水平和细胞内Gln水平，从而维持型胶原的合成。

A-b，低氨酰胺条件下PC敲除对成纤维细胞胶原合成的影响(a)和TCA中间代谢物丰度(b)；c，PC基因敲除对葡萄糖-丙酮酸途径补充细胞中Gln水平的影响

那么，为什么在低Gln的情况下，TGF-的治疗会减少I型胶原的合成呢？Thompson团队推测，在低Gln条件下，TGF-可能抑制了PC介导的TCA补充和谷氨酰胺合成。

实验结束后，他们发现TGF-刺激确实会导致成纤维细胞中PC的转录抑制和功能障碍。此外，PC的下调由TGF-的下游分子SMAD4通过转录直接调控。这些结果表明，在低Gln条件下，TGF-可以切断PC介导的TCA补充和成纤维细胞谷氨酰胺的合成，从而导致I型胶原合成的抑制。

a、TGF-抑制成纤维细胞PC mRNA的转录；b、[3，4-13c]葡萄糖代谢流示踪示意图；c，TGF-抑制PC介导的草酰乙酸(及其下游代谢产物)的产生；TGF-抑制前列腺素的活性

随后，Thompson的团队进一步探索了TCA循环或谷氨酰胺如何调节I型胶原的水平。研究发现，在低Gln条件下，TCA循环中间体可以明显调节型胶原(Col1a1)的转录水平。柠檬酸和柠檬酸生成的乙酰辅酶a是组蛋白乙酰化的重要乙酰供体。当在低Gln中培养时，成纤维细胞中PC的丢失可导致TCA柠檬酸水平显著降低，从而导致Col1a1的组蛋白乙酰化(H3K27ac)降低，最终下调Col1a1 mRNA的转录水平，减少I型胶原的生成。

上述数据表明，当细胞外谷氨酰胺浓度较低时，成纤维细胞中胶原蛋白的产生可以通过PC通过葡萄糖代谢补充TCA循环，从而维持I型胶原蛋白的产生。然而，在身体的微环境中，谷氨酰胺和葡萄糖处于低水平。成纤维细胞如何维持自身I型胶原的合成？