GFAT

根据Warburg效应，在氧含量正常的情况下，肿瘤细胞仍会优先利用有氧糖酵解。但是考虑到TAMs的异质性，如何解释其不同极化中共同增强的糖代谢情况呢？巨噬细胞表型与葡萄糖代谢之间的关系Front Immunol. 2021 Jun 29;12:702580. 葡萄糖在TAMs中的代谢特征由于癌细胞本身通常从周围的微环境中消耗大部分葡萄糖，并通过有氧糖酵解来提供快速增长的能量需求，因此，TAM在TME内部选择依赖OXPHOS和FAO代谢，并表现出M2样极化，在低葡萄糖TME中维持其免疫抑制作用。在实体瘤的缺氧条件下，TAM通过激活mTOR信号通路向氧化代谢转移，减少糖酵解，从而促进新血管生成和肿瘤转移。但实际上，TAMs显示出较普通巨噬细胞更高的葡萄糖摄取水平和类似于M1巨噬细胞的高水平糖酵解代谢。其直接表现包括：髓系细胞，特别是TAMs，在TME中消耗的每细胞葡萄糖最多，这表明葡萄糖对TAMs的促肿瘤功能至关重要。蛋白糊组学分析中，肿瘤提取物刺激的髓源巨噬细胞(BMDM)显示其糖酵解酶上调，预示着糖酵解能力的增强。TAMs中葡萄糖代谢的异质性Cell Mol Immunol (2022).此外，在体内，TAMs能够依赖线粒体代谢，从M2复极化为二分M1表型，它们可以在肿瘤进展后同时表达M1和M2极化标志。这种新型的巨噬细胞亚型有类似M2样表型的细胞标记和细胞代谢，同时发挥着促炎症的M1样功能。已发现的此类TAMs亚型有：肝细胞癌：CD206+IL-1β+ TAMs亚型，其特点是线粒体呼吸稳定，糖酵解增强，O-GlcNAcylation蛋白水平升高；非小细胞肺癌：CD68+ TAMs；PADC：CD169+ TAMs；上皮卵巢癌：CD163+ TAMs；所有不同表型的TAM都促瘤，依赖于TME中的代谢平衡。M2样TAM利用葡萄糖代谢的机制与目的最近的研究表明，MHC-II高表达M1样TAMs的三羧酸(TCA)循环具有功能障碍，阻碍了柠檬酸到α-KG的转化，使其适应糖酵解。M1样TAMs产生高糖酵解代谢符合其极化特征，但同时，M2样TAMs也增强了葡萄糖摄取，表现出更高水平的氧化和糖酵解代谢：单细胞RNA测序：M2样TAMs高度表达葡萄糖转运基因Slc2a1(即Glut1)；葡萄糖类似物吸收实验：M2样TAMs在体内外模型中均较M1样TAMs具有更高的葡萄糖吸收能力；阻断葡萄糖摄取并没有损害M2样TAMs中的OXPHOS和糖酵解活性，表明葡萄糖不是对M2样TAMs利用能量所必需的；尽管O-linked N-乙酰氨基葡萄糖转移酶(OGT) mRNA和蛋白质在M2样TM中的表达显着升高，但OGT对IL-4+巨噬细胞M2样极化没有影响。也就是说，M2样巨噬细胞的极化不需要糖酵解刺激。那么M2样TAMs增强葡萄糖摄取的目的是什么?与其促肿瘤能力相关。具体靶点：M2样TAMs可能通过可能通过分泌组织蛋白酶B介导TME基质重塑和肿瘤侵袭。M2样TAMs优先提高HBP的活性和O-GlcNAc的水平，并选择性上调HK1/2、葡萄糖磷酸异构酶(GPI)、谷氨酰胺果糖-6-磷酸酰胺转移酶(GFAT)和O-linked N-乙酰氨基葡萄糖转移酶(OGT)等效率抑制性酶。OGT介导的组织蛋白酶B S210-O-GlcNAc酰化缺失或功能障碍显著降低了成熟组织蛋白酶B蛋白水平，导致细胞内和分泌出的成熟组织蛋白酶B减少。TAMs、葡萄糖代谢和OGT诱导Cancer Cell. 2022 Aug 30:S1535-6108(22)00376-2. 观察到通过OGT提高TME O-GlcNAc 组织蛋白酶B水平，M2样TAMs的葡萄糖摄取促进了肿瘤侵袭和肺转移。此外，TAMs中的OGT通过TME中的O-GlcNAc增加成熟的组织蛋白酶B，从而促进肿瘤对紫杉醇和奥沙利铂治疗的化疗耐药。OGT高的人，其TAMs水平与组织蛋白酶B表达呈正相关，可用于预测结肠癌患者的化疗反应和预后。结论：M2样TAMs增加葡萄糖摄取是为己糖胺生物合成途径依赖性O-GlcN酰化提供燃料，以促进肿瘤生长、转移和化疗耐药性。基于葡萄糖代谢的TAMs疗法思路靶向TAM的药物主要关注直接靶向TAM及其受体的免疫作用（四种靶向肿瘤相关巨噬细胞的策略）。破坏其葡萄糖代谢以破坏癌细胞功能或许是新的药物开发方向。思路可包括：促进M2样TAMs向M1样复极化：抑制OXPHOS途径：如阻断琥珀酸脱氢酶复合物黄素蛋白亚基A(SDHA)的表达和巨噬细胞的氧化磷酸化活性与丙二酸二甲酯治疗；抑制FAO代谢途径；提高TAM的葡萄糖利用率：如吖啶黄烷（ACF）可阻断HIF-1α途径并增强PDAC中的葡萄糖摄取，达成TAMs向M1样复极化。抑制TAMs糖酵解：旨在抑制TAM的早期分化。例如：甲壳素给药显著降低了TAMs的M2样极化和肿瘤进展；二氯乙酸阻止了肺肿瘤异种移植模型中巨噬细胞迁移；O-GlcN酰化抑制剂：抑制炎症性IFIT3可调节胰腺癌中VDAC2的翻译后修饰，影响化疗耐药性，等等。基于葡萄糖代谢的巨噬细胞靶向肿瘤疗法Front Immunol. 2021 Jun 29;12:702580.不过此思路待解决的问题也不少。包括：细胞共享代谢途径受到持续修饰可能产生脱靶免疫反应；TAMs在实际环境中的极化情况复杂，受到不止一种代谢途径的调控，其影响可能是偏转性的，等等。参考资料：Xia, H., Chen, Y.H. How sugar instigates macrophages to be evils in tumor. Cell Mol Immunol (2022). https://doi.org/10.1038/s41423-022-00932-8Zhang Q, Wang J, Yadav DK, Bai X, Liang T. Glucose Metabolism: The Metabolic Signature of Tumor Associated Macrophage. Front Immunol. 2021 Jun 29;12:702580. doi: 10.3389/fimmu.2021.702580. PMID: 34267763; PMCID: PMC8276123.Wang F, Zhang S, Vuckovic I, Jeon R, Lerman A, Folmes CD, Dzeja PP, Herrmann J. Glycolytic Stimulation Is Not a Requirement for M2 Macrophage Differentiation. Cell Metab. 2018 Sep 4;28(3):463-475.e4. doi: 10.1016/j.cmet.2018.08.012. PMID: 30184486; PMCID: PMC6449248.Shi Q, Shen Q, Liu Y, Shi Y, Huang W, Wang X, Li Z, Chai Y, Wang H, Hu X, Li N, Zhang Q, Cao X. Increased glucose metabolism in TAMs fuels O-GlcNAcylation of lysosomal Cathepsin B to promote cancer metastasis and chemoresistance. Cancer Cell. 2022 Aug 30:S1535-6108(22)00376-2. doi: 10.1016/j.ccell.2022.08.012. Epub ahead of print. PMID: 36084651.

研究人员证实了GFAT1通过促进GFAT1-TTLL5-TAB1复合物的形成，产生对TAB1的谷氨酰胺化修饰，进而激活p38 MAPK。 代谢重编程是肿瘤细胞区别于正常组织细胞的重要特征。在此过程中，显著上调的代谢酶发挥了关键作用[1]。此外，代谢酶也可通过参与信号传导，蛋白的转录后修饰等非酶依赖性的作用方式，协助肿瘤应对生存压力。 氨基己糖通路（HBP）是糖代谢的重要分支之一，它作为细胞内“能量传感器”，整合了葡萄糖代谢、谷氨酰胺分解、脂肪酸代谢和核苷酸代谢。在多种类型的癌症中，都存在HBP增强[2-3]。 谷氨酰胺-果糖-6-磷酸酰胺转移酶1（GFAT1）是HBP通路中最重要的限速酶，在多种肿瘤细胞中表达升高，并于与患者的不良预后相关[4-5]。有研究表明：在葡萄糖缺乏的情况下，GFAT1明显上调并激活HBP通路，进而维持肿瘤细胞的存活[6-7]。然而，GFAT1能否通过非酶依赖的作用参与肿瘤细胞生物过程目前尚不明确。 近日，由广州医科大学呼吸疾病国家重点实验室的陈涛、梁文华及钟南山领衔的团队，与上海交通大学医学院附属仁济医院蒋玉辉团队合作，在《细胞发现》期刊发表了有关营养压力下GFAT1促进肺腺癌细胞细胞存活的机制研究的重要成果[8]。 该研究团队证实了GFAT1对肺腺癌细胞存活的关键调控作用还发现GFAT1的作用并不依赖于其代谢调控功能，而是作为细胞内信号传导分子，促进TTLL5-GFAT1-TAB1复合物的形成，进而激活P38 MAPK信号通路，促进肺腺癌细胞的存活。 这项研究成果证实了在营养压力条件下，氨基己糖通路关键代谢酶GFAT1通过非代谢调控功能促进了肺癌细胞存活，为靶向GFAT1这一代谢靶点治疗肺癌提供了理论证据。 论文首页截图 接下来，我们就一起来来看看这个研究是如何展开的。 研究人员首先对癌症基因组图谱（TCGA）和基因型-组织表达程序（GTEx）数据库开展了基因表达谱互动分析（GEPIA），结果发现GFAT1在肺腺癌中表达明显上调。 为了探究GFAT1在肺腺癌发生中的作用，研究人员首先在肺腺癌细胞中敲除GFAT1，随后在营养压力下检测癌细胞的存活率，发现敲除GFAT1，癌细胞的存活率明显下降，同时也几乎完全抑制了p38 MAPK的激活。 随后，研究人员又过表达MKK6E，以激活p38 MAPK，结果发现明显逆转了敲除GFAT1的作用。 以上研究结果提示，GFAT1的作用可能依赖于P38 MAPK的激活。 为了探究营养压力下GFAT1的作用是否归因于其代谢活性，研究人员在稳定敲除的GFAT1肺腺癌细胞中，回补氨基葡萄糖来上调糖基化水平，结果发现肿瘤细胞生长并未恢复。 然而，在敲除GFAT1并过表达酶活性缺失的GFAT1（rGFAT1-H577A）的细胞中，回补谷氨酸后可以明显促进p38 MAPK的激活及肿瘤生长。 以上结果提示，营养压力下GFAT1通过介导谷氨酸的产生，对于P38 MAPK的激活及肿瘤的存活至关重要。 之前有大量研究表明，TAB1和p38α MAPK的结合可以导致p38 MAPK的激活[9]。研究人员通过质谱及蛋白免疫共沉淀（IP）实验发现，GFAT1与p38 MAPK信号的关键调控蛋白TAB1存在结合。后续的实验结果表明，p38 MAPK和JNK之间的协同作用促进了TAB1上Ser438的磷酸化。 随后，通过敲低及IP实验，研究人员证实了TAB1 S438的磷酸化是GFAT1-TAB1相互作用的必要条件，是营养压力下p38 MAPK持续激活的关键。 在探索过程中，研究人员还发现一个有趣的现象：GFAT1-TAB1与TAB1-p38 MAPK的相互作用存在相关。究其背后原因，研究人员发现在营养压力下，GFAT1与TAB1的结合导致了TAB1-p38α的结合，进而激活了p38 MAPK，维持了细胞生存。 接下来，研究人员对GFAT1对TAB1产生的修饰作用进行探索。结合之前GFAT1介导产生的谷氨酸所发挥的关键作用及质谱及IP结果，研究人员通过大量实验证实，在营养压力下，GFAT1与TTLL5的结合增加，从而对TAB1上Glu 212进行谷氨酰胺化修饰。这一构象改变促进了TAB1与p38α MAPK的结合，从而激活了p38 MAPK。 为了探究GFAT1-TTLL5对TAB1的谷氨酰胺化作用是否依赖于GFAT1介导产生的谷氨酸，研究人员通过回补谷氨酸实验发现，谷氨酸明显地促进TAB1谷氨酸化和TAB1-p38α MAPK复合物的形成，进一步实验证实，在营养压力下，GFAT1通过产生谷氨酰胺从而促进GFAT1-TTLL5-TAB1复合物的形成，介导TAB1谷氨酸化。 我们都知道，在营养压力下，肿瘤细胞可以通过上调自噬从而维持细胞存活，而p38 MAPK的激活对于细胞自噬至关重要。 为了探究GFAT1-TAB1-p38轴是否影响了细胞自噬，研究人员检测了细胞凋亡和自噬水平，发现GFAT1酶活丢失抑制了葡萄糖缺乏导致的肿瘤细胞自噬，而这一作用可被外源性回补谷氨酸所逆转。此外，TAB1 Ser438的突变几乎完全抑制了自噬，且无法被外源性补充谷氨酸所逆转。 与此同时，在GFAT1酶活丢失及TAB1磷酸化位点的突变的细胞中，过表达MMK6E激活p38 MAPK后，可明显促进肿瘤细胞存活和自噬水平的上调。十分有趣的是，在营养压力下，TAB1 Ser438的突变可以促进细胞凋亡，这一现象也可被过表达MMK6E以激活p38 MAPK所逆转。 以上结果说明，在营养压力下，GFAT1-TTLL5-TAB1复合物介导的p38 MAPK激活，通过调控细胞凋亡及自噬影响了肺腺癌细胞的存活。 为了在体内验证GFAT1-TAB1-p38轴对肺腺癌发展的作用，研究人员向裸鼠内分别注射WT rTAB1、rTAB1-S438A（磷酸化位点突变）或rTAB1-E212A（谷氨酰胺化位点突变）的肺腺癌细胞，对肿瘤生长及p38的激活进行评估。 结果他们发现，TAB1的磷酸化和谷氨酸化对于p38激活和肿瘤生长所必须的。这提示GFAT1-TAB1-p38轴的激活促进了肺腺癌肿瘤的形成。 除此之外，研究人员还在肺癌患者术后标本中观察到了p38激活和TAB1 S438磷酸化水平之间存在正相关。对患者生存期进行评估发现，GFAT1表达升高及TAB1 S438磷酸化水平升高，提示肺癌患者较差的预后。 总的来说，研究人员证实了GFAT1通过促进GFAT1-TTLL5-TAB1复合物的形成，产生对TAB1的谷氨酰胺化修饰，进而激活p38 MAPK。