PKM2

引言 胶质母细胞瘤是成人最常见的高度恶性颅内原发肿瘤，标准放化疗疗效不佳【1-3】。Warburg效应，即在氧气充足的条件下，糖酵解通路异常激活和乳酸积累是胶质母细胞瘤的重要代谢特征【4-5】。然而，Warburg效应如何影响胶质母细胞瘤的放化疗抵抗及临床疗效，其机制尚不明确。 2024年8月6日，首都医科大学附属北京天坛医院神经外科学中心江涛院士/张伟教授团队在Cell Metabolism在线发表题为Glycometabolic reprogramming-mediated XRCC1 lactylation confers therapeutic resistance in high ALDH1A3-expressing glioblastomas的研究论文。研究团队基于中国人群脑胶质瘤基因组图谱（Chinese Glioma Genome Atlas, CGGA）数据库证实，胶质瘤干细胞重要标志物ALDH1A3表达阳性的胶质母细胞瘤患者对标准放化疗均不敏感，并发现ALDH1A3可能通过激活肿瘤糖酵解通路促进对放化疗的抵抗。为了揭示这一现象背后的分子机制，研究团队基于前期构建的胶质瘤干细胞数据库及代谢组学分析，首次证实ALDH1A3通过与糖酵解关键酶PKM2互作激活糖酵解通路，介导肿瘤细胞内乳酸堆积，在胶质瘤干细胞中敲除ALDH1A3或特异性阻断ALDH1A3与PKM2结合可以降低糖酵解通路活性，下调肿瘤细胞内乳酸浓度。 上述研究表明，肿瘤细胞内乳酸浓度与放化疗敏感性密切相关。研究团队进一步研究发现，ALDH1A3介导的乳酸堆积主要通过上调DNA损伤修复相关蛋白XRCC1 K247位点的乳酰化修饰水平促进胶质母细胞瘤的DNA损伤修复，最终导致胶质母细胞瘤对标准放化疗的抵抗。同时，该研究开发出了针对XRCC1 K247位点乳酰化修饰的特异性抗体，可以作为临床检测工具，用于检测临床样本中XRCC1的乳酰化修饰水平。 该团队进一步通过小分子化合物高通量筛选平台，成功筛选出靶向PKM2激活位点的小分子抑制剂——D34-919，并利用胶质瘤干细胞系、小鼠原位成瘤模型以及胶质瘤类器官模型证实D34-919小分子药物可以有效阻断ALDH1A3与PKM2互作，降低肿瘤细胞内乳酸浓度及XRCC1乳酰化修饰水平，抑制DNA修复功能，提高胶质母细胞瘤对放化疗的敏感性。在动物模型中，该药物还表现出较高的血脑屏障通过率及良好的安全性，已申报国家发明专利，有望成为胶质母细胞瘤患者全新的靶向药物。 模式图（Credit: Cell Metabolism） 总之，该研究阐明了ALDH1A3通过别构激活PKM2，介导胶质母细胞瘤葡萄糖代谢重编程和乳酸堆积，进而通过XRCC1乳酰化修饰促进胶质母细胞瘤放化疗抵抗的分子机制，并开发出全新小分子靶向药物D34-919，有望改善胶质母细胞瘤患者的临床预后。 参考文献 1. Louis, D.N., Perry, A., Wesseling, P., Brat, D.J., Cree, I.A., FigarellaBranger, D., Hawkins, C., Ng, H.K., Pfister, S.M., Reifenberger, G., et al. (2021). The 2021 WHO classification of tumors of the central nervous system: a summary. Neuro Oncol. 23, 1231–1251. https://doi.org/10.1093/neuonc/noab106. 2. Ostrom, Q.T., Price, M., Neff, C., Cioffi, G., Waite, K.A., Kruchko, C., and Barnholtz-Sloan, J.S. (2022). CBTRUS Statistical Report: primary brain and other central nervous system tumors diagnosed in the United States in 2015-2019. Neuro Oncol. 24, v1–v95. https://doi.org/10.1093/neuonc/noac202. 3. Chen, W., Zheng, R., Baade, P.D., Zhang, S., Zeng, H., Bray, F., Jemal, A., Yu, X.Q., and He, J. (2016). Cancer statistics in China, 2015. CA. Cancer J. Clin. 66, 115–132. https://doi.org/10.3322/caac.21338. 4. Bi, J., Chowdhry, S., Wu, S., Zhang, W., Masui, K., & Mischel, P. S. (2020). Altered cellular metabolism in gliomas - an emerging landscape of actionable co-dependency targets. Nature reviews. Cancer, 20(1), 57–70. https://doi.org/10.1038/s41568-019-0226-5 5. Yang, W., Xia, Y., Ji, H., Zheng, Y., Liang, J., Huang, W., Gao, X., Aldape, K., & Lu, Z. (2011). Nuclear PKM2 regulates β-catenin transactivation upon EGFR activation. Nature, 480(7375), 118–122. https://doi.org/10.1038/nature10598 https://www.cell.com/cell-metabolism/fulltext/S1550-4131(24)00282-1 责编|探索君 排版|探索君 文章来源|“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

【导读】 高ALDH1A3表达胶质母细胞瘤（ALDH1A3 hi GBM）显示，术后放化疗的获益有限。在本研究中，团队发现ALDH1A3和PKM2之间的相互作用，增强了后者的四聚化，并促进了胶质母细胞瘤干细胞（GSCs）中的乳酸积累。ALDH1A3介导的PKM2四聚化，是改善ALDH1A3 hi GBM对放化疗反应的潜在治疗靶点。 2024年8月6日， 首都医科大学附属北京天坛医院张伟团队在期刊《Cell Metabolism》上发表了题为“Glycometabolic reprogramming-induced XRCC1 lactylation confers therapeutic resistance in ALDH1A3-overexpressing glioblastoma”的研究论文。本研究全面、系统地检验并确定了富ALDH1A3性GBM中PKM2激活和治疗耐药的机制。放射增敏剂和化学增敏剂D34-919，为ALDH1A3 hi GBM患者提供了一种新的治疗选择。 https://www.cell.com/cell-metabolism/fulltext/S1550-4131(24)00282-1#%20 研究介绍 01 异柠檬酸脱氢酶（IDH）野生型（WT）胶质母细胞瘤（GBM）是成人中最常见且具有侵袭性的原发性恶性脑肿瘤，GBM的特点是复发率高、致死率高。GBM对目前的治疗不敏感，即使在大体全切除和积极的术后放化疗后也是如此，因此，GBM患者的预后仍然很暗淡。胶质母细胞瘤干细胞（GSCs）的存在，显著增加了治疗耐药性以及肿瘤复发。最近的研究表明，GSCs产生并吸收大量的碳水化合物和脂质，作为生长的基石和燃料的来源。因此，鉴于其独特的代谢模式，研究的重点已转向开发针对GSC的代谢疗法。 增强的醛脱氢酶（ALDH）活性是维持癌症干性、恶性进展和治疗耐药性的关键因素。之前的研究表明，ALDH1A3的高表达，是GBM重要的独立不良预后因素。随后的研究证实，ALDH1A3作为维持ALDH活性最普遍的亚型，在GBM对基于替莫唑胺（TMZ）的治疗的耐药性中起关键作用。另一项研究表明，ALDH1A3的高表达导致肿瘤细胞中的糖酵解代谢增加，最终导致GBM的放疗耐药性。然而，ALDH1A3过表达上调肿瘤细胞中的糖酵解代谢，并诱导GBM患者对放化疗的耐药性，而其机制尚不清楚。 乳酸化不仅代表了一种在表观遗传基因调控中起关键作用的蛋白质翻译后修饰的新形式，而且还在糖酵解代谢与各种生物过程中的细胞功能调控之间，起着直接联系作用。随后，大量研究揭示了组蛋白乳酸化在转录调控、代谢调控、肿瘤恶性进展和其他生物学过程中的作用。近年来，非组蛋白乳酸化的发现，进一步揭示了其在调节许多酶活性和信号通路中的重要作用。对乳酸化的新兴研究，强调了其在各种生物过程中作为核心细胞功能调节剂和癌症治疗靶点的潜在作用。 在本研究中，团队发现ALDH1A3与丙酮酸激酶M同工酶2（PKM2）相互作用，以增加后者的四聚化，从而诱导GSC中的细胞内乳酸积累。乳酸化诱导的X射线交叉互补蛋白1（XRCC1）表面电荷的电，中和增强了其与输入蛋白α的亲和力，从而导致XRCC1更大的核易位，并最终增强了DNA修复活性，这将使这些细胞对放射治疗产生抵抗力。此外，团队还发现了一种小分子化合物，该化合物可以破坏ALDH1A3和PKM2之间的相互作用，从而增强GSCs在体内和体外的放化疗敏感性，而不会产生明显的副作用。这些发现阐明了ALDH1A3过表达介导糖酵解和放化疗耐药性的机制，并且它们允许鉴定高表达ALDH1A3 GBM患者放化疗的潜在小分子增敏剂 （ALDH1A3 hi GBM）。 研究进展 02 D34-919增强放化疗敏感性，抑制小鼠颅内异种移植肿瘤的生长 团队建立了GBM的3组颅内异种移植模型，包括I.组，肿瘤体积、生存率和体重监测；II.组，代谢通量分析；第三组，组织病理学染色。每组根据不同的处理，由8个亚组组成。团队发现，D34-919 + TMZ、D34-919 +放疗或D34-919 + TMZ +放疗的联合治疗，与相应的非联合治疗亚组相比，小鼠的肿瘤生长显著减少，总生存时间延长，三联治疗导致肿瘤完全消除（或至少低于检测限）和100%存活超过70天。D34-919联合治疗抑制了肿瘤生长，而没有伴随体重损失或任何组织和器官损伤。 与载体治疗相比，D34-919治疗与颅内肿瘤中PK酶活性的显著降低程度，和较低的乳酸浓度相关。同样，注射 D- 后1.5 小时13C6-葡萄糖进入小鼠尾静脉，团队发现产生的乳酸（与载体治疗组相比，D34-919治疗组颅内肿瘤中的C标记乳酸）显著降低。此外，D34-919在小鼠体内的处理在4小时后，在颅内肿瘤中显示出峰值积累，24小时时水平恢复到基线。 D34-919联合放化疗，可有效改善GBM，并延长异种移植模型的生存期 D34-919增加体内胶质母细胞瘤类器官和脑肿瘤的放化疗敏感性 GBM类器官是最新、最先进的体外肿瘤模型之一，可用于药物疗效评价。因此，团队使用来自12名病理诊断为GBM的患者的手术切除肿瘤样本（根据WHO中枢神经系统肿瘤分类第五版，WHO CNS5）来构建GBM类器官模型。团队使用这些类器官模型，来确定D34-919是否可以增强这些临床相关模型对放化疗的敏感性。团队用D34-919作为单一疗法，TMZ +放射作为单一疗法，或将这三者一起作为三联疗法，治疗此类类器官3天。使用免疫荧光染色，团队发现D34-919作为单一疗法或与TMZ和辐射联合使用，可显著降低乳酸化XRCC1-K247水平，而TMZ +辐射没有影响。团队还可视化了γ-H2AX水平和裂解的caspase-3水平，发现从单一疗法到双重疗法再到三联疗法，两者的水平都逐渐升高。相比之下，从单一疗法到三联疗法，Ki-67的水平逐渐降低。团队对颅内异种移植模型进行了类似的分析，并发现了类似的结果。 D34-919联合疗法在患者来源的GBM类器官模型中，有效缩小肿瘤负荷 研究结论 03 本研究表明，用糖酵解抑制剂2-DG对GSC进行预处理，导致它们对放化疗的敏感性与ALDH1A3表达无关。ALDH1A3的过表达，可能通过糖酵解代谢途径，影响了GSCs的治疗敏感性。随后，团队进行了一项广泛的研究，以了解ALDH1A3促进糖酵解代谢的内在机制。 ALDH1A3在促进多种癌症的糖酵解代谢方面，发挥着重要作用。ALDH1A3在糖酵解代谢中的调控机制，被认为是通过经典和非经典途径介导的。先前的研究表明，间充质GSCs中ALDH1A3和ACSS1的增加，可能有助于糖酵解代谢的激活，可能是通过改变乙酰辅酶A合成。然而，本研究的结果，未能支持上述机制。此外，ALDH1A3表达的上调，更有可能增加乙酰辅酶A的产生，而乙酰辅酶A反过来会抑制，而不是激活糖酵解代谢。因此，需要更多的证据，来支持经典通路的参与。 RNA-seq分析结果显示，ALDH1A3编辑细胞中糖酵解酶的表达，没有显著变化；这进一步否定了非经典通路参与糖酵解代谢调节的可能性。相反，团队发现ALDH1A3与多种蛋白质相互作用，包括PKM2。PKM2是糖酵解中的关键酶。ALDH1A3和PKM2 间的蛋白质相互作用，增强了后者的四聚化。GSCs中糖酵解代谢的增强，可能是由于四聚化PKM的强催化活性。ALDH1A3诱导的PKM2激活，导致乳酸的显著细胞内积累，但其他糖酵解和TCA循环相关代谢物没有显著变化。综上所述，本研究报告了一种促进代谢重编程的新机制和代谢酶非经典功能的调节途径。 研究由于糖代谢重编程导致的治疗耐药机制，仍然是癌症研究中一个日益突出的话题。团队的研究结果首次表明XRCC1-K247乳酸化在GSCs中增加，同时在GSC中细胞内乳酸积累。XRCC1作为连接DNA修复酶的支架蛋白，在内源性和外源性DNA修复中，起着至关重要的作用。具有灭活XRCC1的肿瘤细胞，对DNA损伤更敏感。XRCC1的乳酸化，使其从带负电荷转变为电中性，这增加了其对核转运蛋白输入蛋白α的结合亲和力。XRCC的核输入，最终导致GBM细胞中DNA损伤修复增强。重要的是，在GBM的临床样本中，检测到XRCC1-K247乳酸化。上述结果表明， XRCC1-K247乳酸化， 可能是GBM术后放疗和化疗敏感性的准确预测因子，而不仅仅是XRCC1表达。 ALDH1A3诱导的PKM2激活是GBM治疗耐药的基本原因。D34-919的作用，与已知的PKM2抑制剂不同，可能不会影响正常细胞的代谢功能。长期腹腔注射D34-919治疗后，小鼠大脑及重要器官均未见副作用。此外， D34-919在预防颅内肿瘤治疗耐药方面， 显示出更强的作用。这些效应可能归因于错综复杂的体内肿瘤微环境或体外和体内培养条件之间的差异。 肿瘤类器官模型以其卓越的肿瘤组织学概括能力、肿瘤的内在特征及其微环境而闻名，在肿瘤研究中具有巨大的潜力。D34-919在GBM类器官模型中的作用，与颅内肿瘤模型相似。然而，XRCC1-K247的乳酸化在辐射组和TMZ处理组中，均呈下降趋势。造成这种结果的原因，可能是放疗和化疗改变了肿瘤细胞的代谢平衡或线粒体稳定性，从而间接改变XRCC1-K247的乳酸化。尽管与D34-919处理相比，这些变化很小，但它们是稳定的，值得进一步探索。同样重要的是，与颅内肿瘤模型相比，D34-919在增强GBM类器官模型放化疗方面的稳定性，相对较差。类器官模型之间的差异被放大，可能是由于GBM类器官模型之间，存在广泛的遗传差异。 参考资料： 1.Louis D.N.Perry A.Wesseling P.Brat D.J.Cree I.A.Figarella-Branger D.Hawkins C.Ng H.K.Pfister S.M.Reifenberger G.et al. The 2021 WHO classification of tumors of the central nervous system: a summary. Neuro Oncol. 2021; 23: 1231-1251 【关于投稿】 转化医学网（360zhyx.com）是转化医学核心门户，旨在推动基础研究、临床诊疗和产业的发展，核心内容涵盖组学、检验、免疫、肿瘤、心血管、糖尿病等。如您有最新的研究内容发表，欢迎联系我们进行免费报道（公众号菜单栏-在线客服联系），我们的理念：内容创造价值，转化铸就未来！ 转化医学网（360zhyx.com）发布的文章旨在介绍前沿医学研究进展，不能作为治疗方案使用；如需获得健康指导，请至正规医院就诊。 热门·直播/活动 🕓 线上｜08月15日 19:00-20:30 ▶ “脑类器官前沿：揭秘遗传机制，重塑神经退行性疾病研究未来”线上研讨会欢迎您的参与！ 🕓 北京｜09月20日-21日 ▶ 第五届单细胞技术应用研讨会暨空间组学前沿研讨会欢迎您的参与！ 🕓 上海｜11月15日-16日 ▶ 2024第一届中国类器官转化医学大会欢迎您的参与！ 点击对应文字 查看详情

引言 一个世纪之前，德国生物化学学家Otto Warburg发现肿瘤细胞即使是在氧气充足情况下，优先选择通过糖酵解而不是三羧酸循环获取能量，即Warburg效应。Warburg效应产生的机制是肿瘤细胞显著增加葡萄糖摄取和乳酸生成，同时抑制线粒体中的丙酮酸代谢。乳酸作为重要的能量来源、主要的糖异生前体和信号分子，对多种细胞功能至关重要。此外，乳酸还可作为乳酰基供体用于蛋白质乳酰化，从而调节关键的细胞活动。在糖酵解过程中，乳酸产生于丙酮酸，而丙酮酸激酶M2（PKM2）作为丙酮酸生成酶，在四聚体状态下活性较高，能够将磷酸烯醇丙酮酸（PEP）和ADP转化为丙酮酸和ATP，并在肿瘤细胞中高度表达。 2024年8月6日，浙江大学转化医学研究院/浙江大学医学院附属第一医院/国家基础科学中心/浙江大学基础交叉研究院吕志民教授团队在Cell Metabolism上在线发表了题为Lactylation: Linking the Warburg effect to DNA damage repair的重要评述，阐述了Warburg效应通过乳酰化调控DNA损伤修复的关键机制。 吕志民教授先后在Nature、Cell等杂志发表了多篇论文，揭示了Warburg效应及PKM2调控肿瘤发生发展的重要机制，包括发现在受体酪氨酸激酶激活的条件下，PKM2可以进入细胞核内磷酸化组蛋白H3，并诱导β-catenin介导的c-Myc表达，进而增加LDHA表达以促进乳酸生成，最终促进Warburg效应的产生和肿瘤进展（Nature，2011；Cell, 2012）。然而，Warburg效应及PKM2是否在在胶质母细胞瘤（GBM）中参与DNA损伤修复过程，并介导化疗抵抗和肿瘤进展尚不清楚。 北京天坛医院张伟教授和江涛院士在同期的 Cell Metabolism 杂志上发表了题为Glycometabolic reprogramming-induced XRCC1 lactylation confers therapeutic resistance in ALDH1A3-overexpressing glioblastoma的研究论文。吕志民教授应邀对这一发现做了重要总结与评述。醛脱氢酶1家族成员A3（ALDH1A3）是胶质母细胞瘤（GBM）细胞中最常见的ALDH同工酶，负责将醛氧化成羧酸，该研究揭示了ALDH1A3非代谢依赖的新功能，即其与PKM2相互作用并促进PKM2四聚体的形成，进而促进胶质母细胞瘤干细胞中乳酸积累，并促进DNA修复蛋白XRCC1的乳酰化修饰及入核，最终促进DNA修复和肿瘤进展。研究还筛选鉴定了一个可以打破ALDH1A3与PKM2相互作用的小分子化合物D34-919，其与化疗药物TMZ联用可以显著增强其抗肿瘤效果（图1）。 该评述指出，Warburg效应不仅仅是一个代谢现象，其对多种非代谢细胞活动具有关键影响。糖酵解中的代谢酶和代谢物往往具有“多重功能”，可以通过代谢以及非代谢依赖的方式改变肿瘤细胞的各种重要活动。Warburg效应在肿瘤细胞中与线粒体功能、基因转录、细胞周期和免疫逃逸等过程紧密相连。本研究揭示了非糖酵解酶ALDH1A3与PKM2的相互作用增强糖酵解和乳酸生成的机制，并展示了Warburg效应通过乳酸介导的蛋白乳酰化调控DNA损伤修复的全新发现。干预这一过程在提高胶质母细胞瘤对DNA损伤诱导疗法的敏感性方面具有令人期待的潜力。 模式图（Credit: Cell Metabolism） 肿瘤中的大量基因突变以及特有的微环境往往会导致代谢酶原有的功能改变，并赋予其新的非代谢酶功能。吕志民团队先后发现代谢酶PKM2 （Nature, 2011, PMID: 22056988; Cell，2012, PMID: 22901803; Molecular Cell, 2014, PMID: 24316223）、PGK1（Molecular Cell，2016, 2017, 2019, PMID: 26942675, 28238651, 31492635）、KHK-A（Nature Cell Biology, 2016, PMID:2708854; Science Advances, 2019, PMID: 31032410）、PCK1（Nature, 2020, PMID: 32322062）、CHKα（Molecular Cell，2021，PMID: 34077757）、HK2（Cell Metabolism, 2022, PMID: 36007522）、CKB（Nature Cell Biology, 2023, PMID: 37156912）和PFKL（Nature Metabolism, 2024, PMID: 38773347）的蛋白激酶活性在肿瘤发生发展中发挥重要作用。这些成果对于全面系统认知肿瘤代谢具有开创性的理论意义。 参考文献 https://doi.org/10.1016/j.cmet.2024.06.015 https://doi.org/10.1016/j.cmet.2024.07.011 责编|探索君 排版|探索君 文章来源|“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