GLUT-4

即使在氧充分的条件下（有氧糖酵解/Warburg效应），癌细胞上调葡萄糖的糖酵解途径形成乳酸，这个过程被认为是恶性肿瘤的标志。代谢活跃的癌细胞导致营养消耗、缺氧、酸性、有毒的代谢物富集的肿瘤微环境，抑制免疫系统。 肿瘤细胞代谢与肿瘤微环境 （Nat Rev Cancer . 2020 Sep;20(9):516-531） 本文简介肿瘤细胞代谢调节的5条信号通路。 其他代谢相关文章，请点击下面链接阅读 23种代谢产物与肿瘤免疫 T细胞代谢与功能的关系 1. Hippo Pathway Hippo通路控制细胞增殖、器官大小和组织稳态。它由MAPK家族、MST1/2、LATS1/2以及转录共激活因子YAP和TAZ组成。 当该通路被激活时，上游信号磷酸化并激活MST1/2和LATS1/2，从而磷酸化YAP/TAZ。因此，YAP/TAZ通过14-3-3蛋白被隔离在细胞质中，并被E3连接酶β-TRCP降解。 Annu Rev Pathol. 2021 January 24; 16: 299–322 然而，当Hippo信号通路关闭时，YAP/TAZ易位到细胞核，与转录增强相关域(TEAD)转录因子结合，诱导致癌靶基因的表达。 Hippo通路受到广泛的上游调控因子的调控，包括细胞-细胞接触、来自周围环境刺激、Wnt信号传导、GPCR-配体相互作用和各种细胞应激条件。 YAP/TAZ促进糖酵解和谷氨酸代谢 YAP/TAZ活性在许多类型的癌症中都是过度活跃。hHippo通路作为细胞生长的主调节因子，参与了多种代谢过程。YAP/TAZ活性通过直接和间接提高糖酵解酶活性来促进糖酵解。特别是，YAP/TAZ的活性增加了TEAD对GLUT3的表达，并通过FOXC2诱导了HK2的表达。YAP/TAZ还通过Hedgehog信号通路促进LncRNABCAR4的表达，上调HK2和PFKFB3。YAP/TAZ增强谷氨酰胺代谢，增加乳腺癌细胞中谷氨酰胺转运体SLC1A5和SLC7A5的表达。YAP/TAZ和TEAD通过表达氨基酸转运体上调谷氨酰胺和氨基酸代谢。YAP/TAZ诱导谷氨酰胺酶和转氨酶的表达，包括GOT1和PSAT1，它们产生NEAAs和TCA循环中间体。YAP/TAZ积累脂质，直接调节胆汁酸成分，从而增强癌细胞的转移潜能。 葡萄糖增强YAP/TAZ的活性 细胞周期进程和细胞增殖由营养物质浓度决定。葡萄糖代谢对YAP/TAZ活性有显著影响。高糖水平增加了HSP的葡萄糖通量，产生用于糖基化的UDP-GlcNAc。因此，丰富的葡萄糖诱导YAP O-GlcNAcylation，干扰LATS和βTrCP的相互作用，进而增强YAP/TAZ的活性。在胰腺癌和肝癌中，YAP被O-GlcNAcylation过度激活。 LATS2的糖基化通过干扰乳腺癌中LATS2和MOB1的相互作用来抑制其活性。相反，葡萄糖剥夺诱导的能量应激通过hippo依赖和非依赖的机制抑制YAP/TAZ活性。能量传感器AMPK随着ATP的减少而被激活。AMPK直接磷酸化YAP的丝氨酸61和丝氨酸94，从而阻断YAP-TEAD的相互作用。AMPK通过AMOTL1磷酸化和激活间接抑制YAP。 外部激素水平可以调节Hippo通路。脂质激素，如溶血磷脂酸和鞘氨醇-1-磷酸，通过GPCRs抑制该通路，肽激素胰高血糖素增加血糖水平，通过cAMP和PKA激活Hippo通路。 脂肪增强YAP/TAZ的活性 亚细胞脂质成分也可以调节Hippo通路激酶。SREBP是Hippo通路的上游调控因子。当SREBP被激活时，甲羟戊酸途径增强了RhoAGTPase的香叶酰化。RhoA是一个f-actin的细胞骨架调节因子，而f-actin是一个成熟的LATS激酶的上游因子。因此，癌细胞中脂肪酸代谢的增加会异常激活RhoA，并通过抑制LATS来增强YAP/TAZ的活性。 有趣的是，YAP/TAZ在血液系统恶性肿瘤中几乎不表达，而YAP的强制表达已被证明可以介导肿瘤抑制功能。 2. PI3K-AKT/mTOR Pathway 在正常细胞中，细胞的增殖和合成代谢受到外部生长因子（如胰岛素和激素）的微妙调节，PI3K-AKT-mTOR通路是其中一条重要通路。 PI3K/AKT信号通路调节代谢酶。在被胰岛素激活后，AKT通过磷酸化GSK3来抑制糖原合成途径。PI3K/AKT通过代谢酶的翻译后修饰（如磷酸化、糖基化）直接或间接上调糖酵解。例如，AKT磷酸化并激活AS160蛋白，从而增强了GLUT的膜运输。AKT通过抑制磷酸化直接抑制TXNIP，通过抑制内吞作用增加GLUT1/4的膜表达。 AKT还提高了糖酵解酶的效率。AKT通过增加HK2的线粒体整合来磷酸化并激活HK2。AKT使PFKFB磷酸化；这种变化催化果糖-6-磷酸到F-2,6-BP，从而提高糖酵解。AKT信号通路也通过HIF-1α转录因子促进糖酵解。HIF-1激活一些糖酵解组分，包括GLUT。HIF-1诱导LDH促进乳酸分泌和有氧糖酵解。 PI3K/AKT信号通路上调谷氨酰胺和脂肪酸代谢。AKT通过mTORC1增加Myc的翻译，并通过GSK3和FOXO3A抑制Myc的降解。由于MYC调节谷氨酰胺代谢，MYC的激活增加了细胞氮的供应。因此，AKT促进了核苷酸的合成。癌细胞需要从头脂质合成来维持和供应持续的无限细胞分裂所需的膜成分。AKT通过直接磷酸化脂质合成的第一个酶ACLY，影响脂质的新生生物合成过程，从而提高酶的效率。AKT通过ACLY调控增加各种癌症类型中的组蛋白乙酰化 AKT诱导的mTORC1激活增强了SREBP家族的翻译和切割加工。AKT介导的GSK3抑制进一步阻止了SREBP1的降解。因此，了解通过PI3K/AKT信号通路的代谢重编程将阐明PI3K抑制剂对癌症治疗的有效治疗替代方案。 3. Myc Pathway 转录因子c-Myc通过MAX调控基因表达，是癌细胞中最过度活跃的基因之一，位于生长相关信号通路(如EGFR、AKT和GPCRs)的交叉点。 Myc调节与葡萄糖、谷氨酰胺和脂肪酸代谢相关的基因的表达。Myc通过上调糖酵解和谷氨酰胺水解来增强癌细胞的代谢重。Myc诱导许多糖酵解酶(如GLUT、HK2和PFK)，它们催化糖酵解过程相应步骤。 MYC癌基因的激活驱动谷氨酰胺的优先代谢向TCA循环添补反应（Anaplerosis）和随后的氧化磷酸化。MYC癌基因表达的缺失增加了线粒体代谢对葡萄糖的依赖。 4. p53 Pathway P53是最著名的肿瘤抑制基因之一，它影响细胞过程，包括凋亡、细胞周期进程和代谢。p53在细胞应激条件下被激活，如DNA损伤和营养剥夺。根据应激源的类型和强度，它决定了是发生适应还是细胞死亡。p53在转录、翻译和翻译后水平上被调节。p53的稳定性受E3连接酶MDM2的调控。 AMPK磷酸化，乙酰化，从而在能量应激条件下稳定p53。通过上调MDM2来促进p53的降解，p53诱导一个负反馈回路来维持稳态。 p53调节代谢（Cancers 2021, 13, 133） P53减少有氧糖酵解，上调线粒体分解代谢过程，包括脂肪酸氧化(FAO)和OXPHOS；p53转录抑制GLUT1和GLUT4的表达，抑制葡萄糖摄取；抑制TCA循环；增加脂肪酸氧化；增加氧化磷酸化（OXPHOS），积累NADH和FADH2。 5. LKB1/AMPK Pathway AMPK是一种保守性良好的能量传感激酶。AMPK抑制合成代谢途径（脂肪酸合成、mTOR途径），促进分解代谢（糖酵解、Krebs循环、磷酸戊糖途径、脂肪酸氧化和自噬）的细胞过程。因此，AMPK的激活允许细胞承受细胞能量应激条件。 与其他代谢蛋白不同，AMPK的调控依赖于AMP和ADP的细胞浓度，但独立于其他代谢中间体。AMP/ATP比值的增加导致AMP相互作用，随后是AMPK的构象变化。在癌症的背景下，应激环境下的AMPK激活，包括缺氧和能量或营养剥夺，赋予了各种癌症的应激抵抗特性。  *红色箭头（激活上调）（Oxid Med Cell Longev . 2019 Oct 31;2019:8730816.） AMPK是一种致癌蛋白还是肿瘤抑制蛋白仍有待确定。在临床环境中，AMPK激活剂，包括2型糖尿病药物二甲双胍和AICAR，被用于抑制癌细胞增殖；然而，AMPK也通过促进原蛋白抗性、迁移和转移作为致癌蛋白。 ACC是AMPK的一个成熟的靶点。ACC在脂肪酸从头合成过程中，ACC介导乙酰辅酶A转化为丙二酰辅酶A。AMPK通过抑制ACC磷酸化来减少ATP的消耗。AMPK降低的脂肪酸合成通量降低了NADPH的消耗。为了满足细胞对脂质代谢物的需求，AMPK通过CD36和其他脂质转运体上调脂肪酸的摄取来维持脂质稳态。 蛋白质翻译是高度耗能的，并使用多种合成代谢途径，包括PPP和谷氨酰胺水解。AMPK通过抑制mTORC1和翻译机制，允许癌细胞适应恶劣的营养条件，如葡萄糖剥夺。 主要参考文献 Jordan H. Driskill et al，The Hippo Pathway in Liver Homeostasis and Pathophysiology. Annu Rev Pathol. 2021 January 24; 16: 299–322 Robert D. Leone and Jonathan D. Powell, Metabolism of immune cells in cancer, Nat Rev Cancer . 2020 Sep;20(9):516-531 Tambay, V.; Raymond, V.-A.; Bilodeau, M. MYC Rules: Leading Glutamine Metabolism toward a Distinct Cancer Cell Phenotype. Cancers 2021, 13, 4484 : Lahalle, A.; Lacroix, M.; De Blasio, C.; Cissé, M.Y.; Linares, L.K.; Le Cam, L. The p53 Pathway and Metabolism: The Tree That Hides the Forest. Cancers 2021, 13, 133 Francesco Ciccarese et al. LKB1/AMPK Pathway and Drug Response in Cancer: A Therapeutic Perspective,Oxid Med Cell Longev . 2019 Oct 31;2019:8730816.

*仅供医学专业人士阅读参考 人类大脑中的神经元，可以说是我们身体里最长寿的一组细胞了。与其他寿命在几天到几个月不等的细胞不同，神经元往往“寿与人齐”，在我们的一生中都兢兢业业工作维持着关键的认知和记忆。 而衰老和疾病会带走这些对我们至关重要的神经元，于是如何促进神经元的再生就成了大家关注的课题。 关于成人脑内神经元是否可以再生，科学家们争论不休。有研究认为，成人的海马体中存在丰富的神经发生，老年人中也是如此。或许受限于观察方法，也有研究者无法复现这一结论。 人脑到底什么情况暂且留给科学家去争论，在情况更简单明了的小鼠中，是存在成年神经发生的。小鼠脑室下区（SVZ）中存在丰富的神经干细胞（NSC），它们在静止态和激活态之间转换，每天能够产生数千个新生神经元。 当小鼠进入衰老状态，神经干细胞激活和形成新神经元的能力大大受损，随之而来的就是感觉和认知功能缺陷。 那么是什么阻碍了神经干细胞的工作呢？ 近期，斯坦福科学团队在《自然》杂志上发表的论文给了我们一个意料之外情理之中的答案——贪糖！ 研究者们发现，衰老神经干细胞摄取葡萄糖的量竟能达到年轻神经干细胞的2倍，通过敲除葡萄糖转运蛋白GLUT4抑制葡萄糖摄取，能够显著改善衰老神经干细胞的激活能力。 此前就有研究发现，降低神经元糖酵解水平竟是有利于认知健康的；不久前我国科学家在灵长类动物中进行的二甲双胍实验也暗示控糖潜在的认知调节作用。 论文题图 其实，最开始科学家们还真没往糖上面想。 激活衰老神经干细胞已经有不少研究结果，发现了几个特定的信号通路和转录调控因子。但这样的视角是比较受限的，因此研究者们决定整个大活儿，用CRISPR-Cas9全基因组筛选来寻找影响衰老神经干细胞的重要通路。 说是大活儿一点都不夸张，研究者建立了23000个蛋白质编码基因的sgRNA文库进行了体外筛选，每个基因准备了10个不同的sgRNA，另外还有15000个对照sgRNA，工程还是很庞大的。 分析的神经干细胞分别取自3-4月龄的年轻小鼠和18-21月龄的衰老小鼠。不用多说，衰老小鼠神经干细胞的激活能力显然更差，大约只有年轻小鼠的一半。 研究者发现，影响神经干细胞激活的很多基因在年轻或衰老细胞中都是特异的，说明神经干细胞的调节因子会随着年龄的增长而变化。 研究者最终选中了10个基因，认为敲除它们能够有效促进衰老神经干细胞激活。有趣的是，其中几个基因，如Sptlc2、RSPH3a和PXDC1以及葡萄糖转运蛋白基因Slc2a4（编码GLUT4）和Slc2a12（编码GLUT12），此前并没有报道过与神经干细胞激活有关。 体内筛选流程 研究者接下来又在小鼠体内进行了筛选实验，并与体外实验结果进行了对比。功能上来说，与纤毛、葡萄糖代谢、核糖核蛋白结构有关的基因对衰老神经干细胞功能很重要。 其中，表现最为显著和一致的，要数Slc2a4。 这还是有点让人意外的。Slc2a4的表达产物GLUT4是一种胰岛素依赖性葡萄糖转运蛋白，葡萄糖代谢与神经元干细胞自我更新确实存在一定的关系，GLUT4出现在这里属实是意料之外情理之中了。 研究者发现，在体外实验中，衰老神经干细胞吸收葡萄糖的量可达到年轻神经干细胞的2倍。在衰老过程中，神经干细胞GLUT4表达会逐渐增加，敲除GLUT4则能够显著增加小鼠的神经干细胞数量和神经发生。从实验结果来看，葡萄糖摄取增加带来的糖酵解增加可能是问题所在。 去除培养基中的糖可以激活衰老神经干细胞 此外，不敲除GLUT4，仅是短暂限制培养基中的葡萄糖水平，也能有效提升衰老神经干细胞的激活能力。 研究者认为，这意味着在药物和基因疗法之外，或许简单的低碳水化合物饮食就能够一定程度上起到调节作用。研究者们准备在后续的实验中，进一步探索控糖带来的影响能有多大。 奇点糕近期推出了《2024ASCO年会深度盘点》课程，为大家系统盘点了2024ASCO年会上实体瘤领域的重磅进展，让您在100分钟内迅速深入把握前沿。长按识别下图中的二维码即可购买，购买后您可以在「奇点网小程序」收听，或下载奇点网「医学奇点」苹果客户端收听。如果遇到任何技术问题大家可以戳我们下图中的客服小伙伴来解决~~ 参考资料： [1]https://www.nature.com/articles/s41586-024-07972-2 [2]https://www.nature.com/articles/d41586-024-03177-9 [3]https://news.stanford.edu/stories/2024/10/study-generating-neurons.html 本文作者 | 代丝雨

在日益盛行的“身材管理”潮流下，减肥成了许多人的日常，不论是胖是瘦，减肥都变成了人们挂在嘴边的热门话题。而在五花八门的减肥方法里面，生酮饮食法一直是备受追捧。不同于大多数控制热量的方法，生酮饮食是指采取高脂肪高蛋白但极低碳水化合物含量的膳食模式，通过酮体供能代替葡萄糖，减少胰岛素分泌，从而降低食欲。 但是！这种看似“无痛”的减肥方法，真的“无痛”吗？虽然这种方法可以让你免受节食和运动的痛苦，但是，它对身体造成的“痛”却是不可避免的。目前，已有许多研究指出了生酮饮食的副作用，包括肾功能减退、心脏负担增加等等。 而在最新的两篇文章中，研究人员发现，生酮饮食会导致葡萄糖耐量、空腹血糖指标变差、身体代谢变慢，并且长期生酮饮食会诱导细胞衰老！ 生酮饮食对身体的改造更为“粗暴” 在一项最新的随机对照实验中，研究人员深入分析了生酮饮食与单纯限制自由糖摄入对健康成年人的葡萄糖耐受性、脂质代谢、外周组织表型和肠道菌群的影响。该成果发表在Cell Reports Medicine上，题为“Ketogenic diet but not free-sugar restriction alters glucose tolerance, lipid metabolism, peripheral tissue phenotype, and gut microbiome: RCT”。 研究发现，无论是限制自由糖摄入（指食品和饮料中添加的单糖和双糖，以及天然存在于蜂蜜、糖浆和果汁中的糖）还是生酮饮食，都没有显著改变参与者的体力活动能量消耗（PAEE）或其它能量消耗组成部分。其次，与中等自由糖摄入组（MODSUG）相比，限制自由糖摄入组（LOWSUG）和生酮饮食组（LOWCHO）的参与者在第4周和第12周的体重和体脂均有所减少。这表明，无论是通过限制糖摄入还是采用生酮饮食，只要总体能量摄入减少了，就能观察到体重和体脂的下降。 图1. 身体活动、体重和组成的变化以及能量摄入 尽管两种饮食限制都能通过减少能量摄入来减少体重和体脂，但它们对代谢健康的影响却不同： 1. 血糖调节机制： ● 在生酮饮食组中，第4周时观察到了空腹血糖水平的降低，但同时餐后血糖反应增加。这表明生酮饮食可能会给胰岛β细胞带来额外的压力，长远来看，可能削弱身体的血糖调节能力，增加罹患2型糖尿病的风险。 ● 相较之下，限制自由糖摄入对血糖和胰岛素反应的影响较为温和，未引发显著的代谢波动，显示了对血糖稳态的保护作用。 2. 血脂与心血管健康： ● 生酮饮食在短期试验期间提升了载脂蛋白B（apoB）和餐后甘油三酯（TAG）的浓度，但这种影响在第12周后逐渐减弱。然而，长期的高脂肪摄入可能依然对心血管系统构成隐忧，增加心血管疾病的风险。 ● 反观限制自由糖摄入的参与者，他们在整个试验过程中LDL胆固醇（即“坏胆固醇”）水平持续降低，这表明该饮食策略可能有助于心血管系统的健康维护，减少动脉硬化的可能性。 图2. 限制自由糖摄入与生酮饮食后的代谢参数变化 3. 肠道微生物群落： ● 生酮饮食在第12周时显著改变了肠道微生物的β多样性，尤其是降低了双歧杆菌（Bifidobacterium）的相对丰度，这一变化可能与脂蛋白的异常有关，暗示生酮饮食可能对肠道健康产生不利影响。 ● 而限制自由糖摄入对肠道菌群的影响相对较小，保持了肠道生态的相对稳定。 4. 肌肉和脂肪组织的代谢： ● 生酮饮食增加了骨骼肌中的PDK4蛋白水平，同时降低了AMPK、GLUT4和胰岛素受体水平，这些变化可能解释了为何生酮饮食会降低葡萄糖耐受性，表明该饮食模式可能干扰肌肉的正常代谢过程。此外，生酮饮食还改变了脂肪组织中关键代谢基因的表达，如脂蛋白酶（LPL）和脂联素（Adiponectin），这可能影响脂肪的存储和利用。 ● 相反，限制自由糖摄入增加了肌肉糖原浓度，对肌肉组织具有积极的代谢影响。 5. 内分泌与行为反应： ● 限制自由糖摄入降低了空腹瘦素浓度，而生酮饮食降低了空腹和餐后FGF21浓度，同时增加了空腹GLP-1浓度。这两种饮食方式似乎都增加了机体对甜食的渴望，这可能与瘦素和FGF21浓度的下降有关，提示了饮食干预可能对食欲调节激素产生较大的影响及波动。 综上所述，生酮饮食虽能有效减轻体重和体脂，但其代谢效应更为复杂，包括但不限于降低葡萄糖耐受性、增加脂肪氧化、改变肠道菌群多样性和影响肌肉与脂肪组织的代谢基因表达。相比之下，限制自由糖摄入在维持血糖稳态、改善血脂状况和保护心血管健康方面展现出更为温和且有益的效果。 长期生酮饮食会诱导细胞衰老 在另一篇Science Advances的文章中，研究人员深入探讨了生酮饮食对小鼠器官细胞衰老的影响，并阐明了相关的分子机制。该文章由David Gius团队发表，题为“Ketogenic diet induces p53-dependent cellular senescence in multiple organs”。 研究发现，无论是活力充沛的年轻小鼠，还是步入老年的同伴，在经历了生酮饮食的不同阶段后，它们的心脏、肾脏、肝脏乃至大脑等关键器官中，细胞衰老的迹象变得尤为明显。一个显著的衰老指标——SA-β-gal酶活性被广泛检测到。 图3. 生酮饮食诱导的细胞衰老 进一步研究发现，生酮饮食显著提高了小鼠器官组织中p53蛋白的水平，特别是其磷酸化形式，这与p53的转录活性增强有关。同时，p21蛋白的水平也显著增加，而p16蛋白的水平没有显著变化，这表明p53-p21信号轴在生酮饮食诱导的细胞衰老中发挥了核心作用。 p53蛋白积累的奥秘在于caspase-2酶的激活，它催化了MDM2蛋白的裂解，而MDM2原本的任务是监控并降解过剩的p53。随着MDM2的失活，p53的寿命得以延长，进而加剧了细胞衰老的进程。此外，研究还发现，生酮饮食激活了AMPK（一种调节能量平衡的酶），促进了p53的磷酸化，增强了p53的活性。使用AMPK抑制剂能够阻断这一连锁反应，避免p53的过度激活及其下游效应子p21和SA-β-gal的表达。总而言之，生酮饮食通过激活caspase-2酶，导致MDM2蛋白失活，以及AMPK的激活，这两者均导致p53的积累，诱导细胞衰老。 图4. 生酮饮食激活p53并诱导p21 令人鼓舞的是，生酮饮食诱导的细胞衰老是可逆的。当小鼠从生酮饮食转换回正常饮食后，细胞衰老标志物的水平会降低，这表明，适时调整饮食模式可以缓解生酮饮食可能带来的长期不良影响。研究还显示，与持续生酮饮食相比，间歇性生酮饮食可以防止细胞衰老的诱导，可能是一种更安全的替代方案。 值得注意的是，生酮饮食引发的细胞衰老现象不受小鼠年龄的限制。无论是年轻还是老年小鼠，生酮饮食都能诱导细胞衰老，这表明生酮饮食对细胞衰老的影响独立于年龄因素之外。 综上所述，生酮饮食虽能有效减脂，但是存在多种副作用，包括降低葡萄糖耐受性、增加脂肪氧化和改变肠道菌群的多样性，并且长期生酮饮食会诱导细胞衰老！这提示我们，生酮饮食可能不适合每个人，通过限制自由糖摄入和减少总能量摄入等或许是更健康长久的方法！ 参考文献： 1. Ketogenic diet but not free-sugar restriction alters glucose tolerance, lipid metabolism, peripheral tissue phenotype, and gut microbiome: RCT. DOI:https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2024.101667 2. Ketogenic diet induces p53-dependent cellular senescence in multiple organs DOI: 10.1126/sciadv.ado1463 来源 | 生物谷 撰文 | ZZN 药渡媒体商务合作 媒体公关 | 新闻&会议发稿 张经理：18600036371（微信同号） 点击下方“药渡“，关注更多精彩内容 免责声明 “药渡”公众号所转载该篇文章来源于其他公众号平台，主要目的在于分享行业相关知识，传递当前最新资讯。图片、文章版权均属于原作者所有，如有侵权，请及时告知，我们会在24小时内删除相关信息。 微信公众号的推送规则又双叒叕改啦，如果您不点个“在看”或者没设为"星标"，我们可能就消散在茫茫文海之中~点这里，千万不要错过药渡的最新消息哦！👇👇👇