Cell（IF=64.5) | 代谢新见解，打破肿瘤中嘌呤来源的传统认知

图1

研究介绍

研究背景

Background

嘌呤核苷酸在人体中扮演着重要角色，它们是DNA和RNA的构成单元，参与了遗传信息的传递和蛋白质合成。此外，嘌呤核苷酸也是能量分子的重要来源，例如细胞内能量的主要供应者三磷酸腺苷（ATP）。

嘌呤在生物体内有两种主要合成途径：从头合成途径(de novo)是体内合成代谢中，利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成嘌呤核苷酸。补救合成途径(salvage)是利用体内游离的嘌呤或嘌呤核苷，经过简单的反应过程，合成嘌呤核苷酸。

传统上，人们认为增殖细胞主要依赖于从头合成，而分化的组织则倾向于补救途径。

近日，德州西南医学中心Gerta Hoxhaj通讯在《Cell》发表论文“De novo and salvage purine synthesis pathways across tissues and tumors”，揭示了正常组织和肿瘤中维持嘌呤核苷酸库的复杂机制，打破了传统观念。（图1）

研究意义

Significance

在这项研究中，研究者们建立了体内同位素输注与代谢组学相结合的方法，以确定补救和从头合成嘌呤途径对组织和肿瘤中核苷酸供应的贡献。该项研究结果揭示了在正常组织和肿瘤中补救途径的未被重视的作用。（图2）

图2

研究方法

1、代谢组学分析：研究不止局限于单一组织或肿瘤类型，而是涵盖了多种组织和肿瘤模型，提供了广泛的代谢特征。

2、创新的同位素示踪方法：使用多种同位素标记的前体，提供了对嘌呤合成途径的深入理解，尤其是补救合成途径在肿瘤生长中的作用。

3、CRISPR-Cas9基因编辑：用于在癌细胞中敲除特定的基因（如GART或HPRT1），以研究从头合成和补救合成途径对组织和肿瘤的作用。

研究结果

一、健康组织的两种合成途径活性

研究人员在健康的C57BL/6小鼠注入了标记的营养素（[γ- 15N]-谷氨酰胺或[γ, α- 15N]-谷氨酰胺），用于追踪从头和补救合成途径，并分析了9个主要组织(包括脑、心、肺、胰腺、肝脏、小肠、脾、肾和脂肪组织)中的嘌呤代谢物含量。

标记结果以及嘌呤从头合成抑制剂实验，证实小肠具有最高的新生嘌呤合成活性，与其快速增殖率相关。（图3）

图3

对于补救合成途径，研究人员评估了常见的循环嘌呤碱基和核苷的补救情况。他们发现，尽管大多数嘌呤物种在不同组织中显示出明显的特异性分布，但嘌呤核苷酸（IMP、AMP和GMP）的池大小变化不大。实验中使用了包括[15N5]-腺嘌呤、[15N5]-腺苷、[13C5]-次黄嘌呤、[15N4]-肌苷、[15N5]-鸟嘌呤或[15N5]鸟苷在内的多种标记前体，来评估不同组织对这些补救合成底物的利用情况。（图4）

图4

对于血液中低水平的次黄嘌呤或鸟苷，研究者们给小鼠注射别嘌呤醇（XDH抑制剂，可阻断嘌呤分解代谢并降低尿酸水平），评估XDH介导的嘌呤降解在影响核苷酸合成方面的作用。（图5）

图5

研究结果显示，腺嘌呤和腺苷在循环中的标记达到了稳态，但在不同组织中的利用模式却有所不同。特别是，肺和脾脏对腺苷的补救合成表现出偏好，而心脏和胰腺则显示出较低的腺嘌呤补救合成活性，肾脏是所有这些嘌呤底物的主要补救部位。（图6）

图6

此外，次黄嘌呤、鸟嘌呤和鸟苷在循环中的富集较低，别嘌呤醇实验揭示了XDH介导的降解对嘌呤合成的影响，特别是对次黄嘌呤的回收影响。

研究的发现揭示了不同组织中嘌呤合成途径的独特活性和偏好，强调了小肠在从头合成途径中的活跃作用以及肾脏在补救合成途径中的关键角色，对于我们理解组织如何维持嘌呤核苷酸池具有重要意义。

二、增殖细胞和肿瘤的两种合成途径活性

在这一部分中，研究人员探讨了增殖细胞和肿瘤如何通过从头合成和补救合成途径来维持核苷酸水平。他们使用了多达八种不同的同位素标记示踪剂，来评估包括乳腺癌（Cal-51）、肾癌（Renca）、结肠癌（HCT-116）和一位肾癌患者的同种异体移植模型在内的六种肿瘤模型中两种途径的活性。

研究结果显示，所有异种移植肿瘤都摄取了15N标记的谷氨酰胺，导致肿瘤中的标记富集度达到20%至40%。这表明肿瘤细胞通过从头合成途径来满足其对核苷酸的需求，以支持快速的细胞分裂。与小肠中观察到的速率相似，肿瘤中的腺苷酸（AMP）和鸟苷酸（GMP）池的标记率大约为1%至2%。

此外，研究者们还观察了腺嘌呤、腺苷、肌苷、次黄嘌呤、鸟苷和鸟嘌呤在肿瘤异种移植中的补救合成的贡献。尽管这些嘌呤碱基和核苷在肿瘤中的富集度较低（1%至6%），但它们被有效地标记进入下游的嘌呤核苷酸中间体。在肿瘤中，腺嘌呤比腺苷更有效地标记AMP池，达到了大约4%的富集度。类似地，鸟苷比鸟嘌呤更有效地标记GMP池（鸟苷约为1%至2%，鸟嘌呤约为0.5%）。肌苷在肿瘤IMP池中的标记也比次黄嘌呤更为显著（肌苷约为2%至7%富集度，次黄嘌呤约为1.5%至4%）。

值得注意的是，与上述健康组织中的观察结果类似，使用别嘌呤醇阻断次黄嘌呤的降解可以增加肿瘤中次黄嘌呤的富集度和补救合成。这些发现表明，肿瘤细胞通过从头合成和补救合成途径来维持其嘌呤核苷酸池，并且补救合成途径能够迅速将核苷酸回收到肿瘤核苷酸中。研究还发现，MYC原癌基因在肝细胞癌（HCC）模型中激活从头合成途径，表明在小鼠肿瘤模型中，嘌呤合成在功能上被激活，超出了基因表达分析的范围。（图7）

图7

三、两种合成途径对肿瘤生长的意义

研究者们使用CRISPR-Cas9技术敲除了不同来源的癌细胞系中的从头合成酶GART或补救合成酶HPRT1和APRT，以评估这些途径在肿瘤生长中的作用。

结果显示，敲除GART显著阻碍了肿瘤的形成，而HPRT1的缺失显著减缓了来自乳腺癌（Cal51）、肾癌（Renca）和结肠癌（MC38）细胞的肿瘤生长。体内注入实验进一步证实了HPRT1在肿瘤嘌呤补救合成中的关键作用，HPRT1缺陷的肿瘤中，来自15N4-肌苷、13C5-次黄嘌呤和15N5-鸟苷的嘌呤核苷酸标记显著减少。此外，通过RNA干扰技术敲低APRT也减少了腺嘌呤补救合成，并减缓了Cal-51衍生肿瘤的生长。这些发现表明，补救合成途径和从头合成途径在肿瘤生长中都发挥着关键作用，其中从头合成途径的影响更为显著。（图8）

图8

研究者们通过给小鼠口服给予富含嘌呤和嘧啶核苷酸单磷酸的混合物，发现可以显著加速不同癌细胞类型的肿瘤生长，这一实验现象提示核苷酸的可用性是肿瘤进展的一个限制因素。（图9）

图9

这些结果强调了嘌呤的补救合成途径在肿瘤生长和代谢中的重要性，并提示通过饮食补充核苷酸可以促进肿瘤生长。

研究讨论

总之，这项研究促进了我们对组织和癌症中嘌呤合成途径的基本理解，并可能为日后设计合理的策略奠定基础，以靶向从头和补救途径来根除肿瘤生长，克服对化疗的耐药性和代谢适应性。

参考文献

[1] De novo and salvage purine synthesis pathways across tissues and tumors Tran, Diem H. et al. Cell, Volume 0, Issue 0

PROFILE

Gerta Hoxhaj

德克萨斯大学西南分校儿童医学中心研究所 （CRI） 助理教授

新陈代谢改变是许多疾病的标志，包括癌症。Gerta Hoxhaj 的实验室有兴趣了解细胞如何重新连接其新陈代谢以促进癌细胞生长和存活的分子基础。他们利用经典生物化学、代谢组学、细胞生物学和小鼠模型的力量来解码疾病中改变的新陈代谢。

文案 | 姜笑南

排版 | 姜笑南

发布｜姜笑南

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