ITPR3

研究揭示了果糖作为一种特殊的信号分子通过抑制M1样TAMs的极化来促进结直肠癌发生的新型角色。 果糖（fructose）是最常见的食品添加剂，其被广泛用于加工的含糖饮料、糖果和烘焙食品中，过量摄入果糖与机体患多种代谢性疾病密切相关，比如肥胖、糖尿病和脂肪肝等。流行病学研究表明，过量摄入果糖会增加机体患结直肠癌的风险，然而，果糖在机体结直肠癌进展过程中的作用机制目前研究人员并不清楚。 近日，一篇发表在国际杂志Cell Metabolism上题为“Hexokinase 2 senses fructose in tumor-associated macrophages to promote colorectal cancer growth”的研究报告中，来自中国科学院等机构的科学家们通过研究揭示了果糖抑制M1型肿瘤相关巨噬细胞（M1样TAMs，M1-type tumor-associated macrophages）从而促进机体结直肠癌发生的新型分子机制。 研究人员发现，相比在肝脏细胞（果糖代谢的原代细胞）中而言，果糖在巨噬细胞中的代谢率会明显减缓，利用13C标记的果糖代谢通量分析和靶向性代谢组学研究技术，研究人员发现，果糖或许会通过己糖激酶2（HK2,hexokinase 2）而不是其下游的代谢产物来抑制M1杨TAMs的极化过程。 此外，他们还进一步研究发现，果糖能促进HK2和肌醇1,4,5-三磷酸受体3（ITPR3，inositol 1,4,5-trisphophate receptor type 3）之间的相互作用，ITPR3是内质网Ca2+运输通道的关键蛋白组分，这种相互作用会明显减少线粒体相关内质网膜（MAM）的形成，并降低细胞质和线粒体中钙离子的浓度。敲除葡萄糖转运蛋白5（GLUT5）或在HK2表达降低的骨髓源性巨噬细胞中补充突变的HK2，或许就能逆转果糖对MAM和钙离子水平的下调效应。 研究人员还观察到，HK2和ITPR3之间的相互作用能降低线粒体和细胞质中的钙离子水平，从而抑制p38丝裂原活化蛋白激酶（p38 MAPK）和信号转导器及激活因子1（STAT1）、NOD-, LRR-和包含pyrin结构域蛋白3（NLRP3）炎性小体的激活，这种抑制作用最终就会阻断M1样TAM的极化过程。研究者Piao教授补充道，我们的研究揭示了果糖作为一种特殊的信号分子通过抑制M1样TAMs的极化来促进结直肠癌发生的新型角色。 综上，本文研究强调了果糖作为一种分子信号的重要角色，其或能损伤M1样巨噬细胞的极化从而促进肿瘤发生和生长。（生物谷Bioon.com） 参考文献： Huiwen Yan，Zhi Wang，Da Teng，et al. Hexokinase 2 senses fructose in tumor-associated macrophages to promote colorectal cancer growth, Cell Metabolism (2024). DOI:10.1016/j.cmet.2024.10.002.

引言 果糖是最常见的食品甜味添加剂，被广泛应用于含糖饮料、糖果和烘培食品的加工。在过去200年间，人类对于果糖的摄入量增长超过100倍。过量摄入果糖与肥胖、糖尿病和脂肪肝等代谢性疾病发生密切相关。流行病学研究结果表明摄入过量果糖会增加罹患结直肠癌的风险【1】，然而，一直没有研究揭示果糖在结直肠癌进展中的功能和机制。2018年，卜鹏程团队研究成果首次证明高果糖饮食能促进结直肠癌的肝转移，结直肠癌细胞利用肝脏中丰富的果糖作为能源，促进其在肝脏中的定植和生长（Cell Metabolism， 2018）。随后，多项研究也报道过量摄入果糖会促进结直肠癌、胰腺癌、肝癌、乳腺癌、前列腺癌和急性髓系白血病的发生和发展。上述工作都关注的是果糖直接作用于肿瘤细胞通过代谢途径促进肿瘤的生长。 2024年10月28日，中国科学院生物物理研究所卜鹏程、温州医科大学沈贤和中国科学院大连化学物理研究所朴海龙团队合作在Cell Metabolism 杂志上发表题为Hexokinase 2 senses fructose in tumor-associated macrophages to promote colorectal cancer growth的研究论文。该研究发现果糖抑制M1型肿瘤相关巨噬细胞（M1-like tumor-associated macrophages，M1-like TAMs）的极化进而促进结直肠癌的发生和发展。有意思的是，果糖对于巨噬细胞极化的抑制作用并不依赖于其下游代谢物，而是通过直接促进己糖激酶（HK2）和肌醇1，4，5-三磷酸受体Ⅲ型（ITPR3）的相互作用。该研究揭示了果糖发挥功能的新机制，果糖本身可以作为调控巨噬细胞极化的信号分子。 研究团队利用自发（APCmin/+）和原位异种移植小鼠结直肠癌模型发现每天摄入330ml可乐剂量的高果糖浆（每天灌胃400μl，25%高果糖浆溶液，葡萄糖：果糖=45：55）【2】，不会引起小鼠肥胖，但明显促进小鼠结直肠癌的发生和生长。流式细胞术和组织多色免疫荧光染色分析发现高果糖浆显著下调肿瘤微环境中巨噬细胞尤其是M1-like TAMs的比例。研究人员发现是糖浆中的果糖抑制了M1-like TAMs的极化。GLUT5（glucose transporter 5）是特异性果糖转运蛋白，敲除髓系细胞中GLUT5能够逆转果糖对M1-like TAMs极化的抑制作用，并且抑制原位结直肠癌的生长。 果糖被细胞摄入后会迅速被果糖激酶KHK磷酸化生成F1P，继而进入糖酵解途径。研究人员先是依次敲低了巨噬细胞中KHK及其下游代谢酶 ALDOB和TKFC，发现敲低下游代谢酶并不会逆转果糖对M1-like TAMs极化的抑制作用，提示果糖并非通过KHK及其下游代谢产物调控M1-like TAMs极化。已有文献报道在髓系细胞中果糖主要被己糖激酶HK2磷酸化生成F6P，然而，无论是与果糖有相似下游代谢产物的葡萄糖，还是葡萄糖类似物2-DG，都不能逆转果糖对M1-like TAMs极化的抑制作用。考虑到HK2催化果糖代谢的米氏常数远大于葡萄糖，研究人员联合基于13C6标记果糖的代谢流分析和靶向代谢组学分析，发现与肝细胞（果糖主要的代谢细胞）相比，巨噬细胞中果糖的代谢速率极其缓慢，提示果糖可能通过HK2而不是其下游代谢产物抑制M1-like TAMs的极化。随后，研究人员发现果糖促进HK2与ITPR3的相互作用，利用Alphafold multimer和蛋白质免疫共沉淀实验，预测并验证了HK2与ITPR3的相互作用位点。ITPR3是内质网上重要的Ca2+转运通道组成蛋白，果糖能够显著减少线粒体相关内质网膜（MAM）的形成并降低细胞质基质和线粒体中Ca2+浓度，敲除GLUT5或在敲低HK2的BMDMs中回补不与ITPR3相互作用的HK2突变体，均能逆转果糖对MAM形成以及细胞质基质和线粒体中Ca2+浓度的下调作用。研究人员进一步的研究发现，果糖通过下调细胞质基质中的Ca2+浓度，抑制p38和STAT1的磷酸化以及p65入核，进而抑制M1-like TAMs极化。另一方面，果糖通过下调线粒体中的Ca2+浓度，降低线粒体中的ROS水平，抑制NLRP3炎症小体的活化，从而抑制巨噬细胞对肿瘤细胞的杀伤功能。 结直肠癌患者肿瘤单细胞转录组测序分析结果表明，GLUT5高表达的巨噬细胞亚群中M1-like TAMs相关标志物的水平显著低于GLUT5低表达的巨噬细胞亚群。巨噬细胞中GLUT5表达水平与患者的分级呈正相关，而与患者存活时间呈负相关。 该研究揭示了果糖作为信号分子通过抑制M1-like TAMs极化促进结直肠癌发生和生长的新功能，丰富了果糖调控细胞活性的作用机制。 高果糖饮食促进结直肠癌进展的机制图（Credit: Cell Metabolism） 参考文献 1.Michaud, D.S., Fuchs, C.S., Liu, S., Willett, W.C., Colditz, G.A., and Giovannucci, E. (2005). Dietary glycemic load, carbohydrate, sugar, and colorectal cancer risk in men and women. Cancer Epidemiol Biomarkers Prev 14, 138-147. 2.Goncalves, M.D., Lu, C., Tutnauer, J., Hartman, T.E., Hwang, S.K., Murphy, C.J., Pauli, C., Morris, R., Taylor, S., Bosch, K., et al. (2019). High-fructose corn syrup enhances intestinal tumor growth in mice. Science 363, 1345-1349. 10.1126/science.aat8515. https://www.cell.com/cell-metabolism/fulltext/S1550-4131(24)00398-X 责编|探索君 排版|探索君 来源|BioArt End 往期精选 围观 一文读透细胞死亡(Cell Death) | 24年Cell重磅综述（长文收藏版） 热文 Cell | 是什么决定了细胞的大小？ 热文 Nature | 2024年值得关注的七项技术 热文 Nature | 自身免疫性疾病能被治愈吗？科学家们终于看到了希望 热文 CRISPR技术进化史 | 24年Cell综述