代謝是細胞及機體生命活動能量與物質來源的基礎，其穩態平衡是機體應對內外時空變化的重要保障 [1, 2]。代謝紊亂或調控機制異常與多種人類疾病密切相關，例如，腫瘤代謝異常賦予腫瘤細胞特異性增殖優勢，影響并改變腫瘤微環境，促進腫瘤細胞存活 [3, 4]。因此，揭示代謝途徑調控機制，將為惡性腫瘤的發病機理提供全新突破口，并為其臨床靶向干預治療提供新的策略。
 

擬素化 (neddylation) 是一種調節蛋白活性或功能但不介導其被26S蛋白酶體降解的蛋白質翻譯后修飾[5]。擬素化過程與泛素化過程類似，通過NEDD8激活酶E1 (NEDD8-activating enzyme, NAE)、NEDD8耦聯酶E2 (NEDD8-conjugating enzyme) 和E3連接酶 (E3 ligase) 組成的三聯酶促反應將擬素NEDD8與目標蛋白共價結合 [6]。擬素化修飾的生理性底物為Cullin家族蛋白 (共八種，包括CUL1-3，4A，4B，5，7和9)， Cullin的擬素化激活Cullin-RING ligase (CRL) E3泛素連接酶 [7]。CRLs是最大的一類泛素連接酶超家族，由Cullin骨架蛋白、RING結構域蛋白 (RBX1或RBX2)、接頭蛋白 (adaptor) 和底物識別受體 (substrate receptor) 幾個部分組成 [8]，負責細胞內大約20%的經泛素-蛋白酶體信號通路降解蛋白的泛素化。因此擬素化修飾與蛋白泛素化降解緊密關聯。然而擬素化信號通路如何調控細胞代謝目前仍不清楚。
 

2022年5月31日，浙江大學醫學院附屬第二醫院腫瘤研究所/浙江大學轉化醫學研究院孫毅教授團隊在Nature Communications 發表題為Neddylation inhibition induces glutamine uptake and metabolism by targeting CRL3SPOP E3 ligase in cancer cells的研究論文，報道了擬素化修飾通過CRL3-SPOP E3泛素連接酶調控腫瘤細胞的谷氨酰胺吸收和代謝。（麥特繪譜提供其非靶向代謝組學檢測服務）
 

研究人員前期工作發現，使用小分子MLN4924（一種去乙酰化激活酶的小分子抑制劑）抑制擬素化修飾，可以誘導線粒體從分裂向融合的動力學轉換、破壞線粒體功能，并通過激活PKM2促進糖酵解 [9]。非靶向代謝組學分析指出擬素化修飾在整體上顯著調控細胞代謝，通過分析細胞代謝通路，發現谷氨酰胺代謝變化最為顯著。細胞實驗表明，阻斷擬素化修飾后，腫瘤細胞谷氨酰胺吸收及其代謝顯著增加；且僅有谷氨酰胺轉運體ASCT2/SLC1A5水平增高。增高的ASCT2促進細胞谷氨酰胺吸收和其代謝，維持細胞存活。
 

為明確擬素化修飾抑制后ASCT2累積的機制，結合生物信息學和生化實驗，研究者發現ASCT2蛋白含有CRL3 E3泛素連接酶中接頭蛋白SPOP經典結合基序，SPOP促進ASCT2蛋白的K48連接的多聚泛素化降解，降低其穩定性。有趣的是，SPOP自身的水平也受環境中谷氨酰胺的調節：在剝奪谷氨酰胺后，SPOP不能形成二聚體，觸發SPOP的自身泛素化降解，導致其底物ASCT2的累積。在人體乳腺癌腫瘤組織樣本中發現，腫瘤組織SPOP低表達而ASCT2高表達，二者呈負相關性，同時SPOP低表達且ASCT2高表達的患者有較差的存活率；另外，從癌旁到癌組織，SPOP表達逐漸降低，而ASCT2表達逐漸增高。靶向代謝組學分析發現，相比癌旁組織，乳腺癌組織中谷氨酰胺濃度降低。同時發現包括乳腺癌在內的多種腫瘤對谷氨酰胺有較高吸收和代謝，另一方面，腫瘤微環境中谷氨酰胺濃度會重塑谷氨酰胺轉運體ASCT2和其調控蛋白SPOP的水平，進一步調節對谷氨酰胺的吸收和代謝。
 

鑒于抑制擬素化導致的細胞谷氨酰胺吸收和代謝對腫瘤細胞存活有保護作用，為了進一步揭示靶向擬素化通路和細胞谷氨酰胺代謝對腫瘤細胞生長的影響，研究者使用MLN492聯合ASCT2抑制劑V-9302，體外細胞實驗及體內腫瘤模型實驗結果均顯示，同時靶向擬素化通路和谷氨酰胺吸收可顯著抑制腫瘤細胞增殖。總體上，該研究通過SPOP-ASCT2軸將擬素化與谷氨酰胺代謝聯系起來，并為MLN4924聯合用藥提出了可行的方案。
 

圖示：研究模式圖。在谷氨酰胺充足條件下，二聚化的SPOP與Cullin 3形成有活性的CRL3-SPOP E3泛素連接酶，促進ASCT2的泛素化降解，維持正常的谷氨酰胺代謝；當腫瘤發生時，由于SPOP突變或者低表達，CRL3-SPOP泛素連接酶活性減弱，致使ASCT2水平增加，促進谷氨酰胺代謝；在缺乏谷氨酰胺的情況下，GRK2磷酸化SPOP以抑制其二聚化，從而觸發SPOP自身泛素化和降解，導致谷氨酰胺代謝增加。
 

孫毅教授團隊的周啟銀博士為論文第一作者，孫毅教授和浙江大學醫學院附屬邵逸夫醫院王嫻主任醫師為論文共同通訊作者。同時該研究獲得了清華大學胡澤平研究員、浙江大學王林波主任醫師和金洪傳教授的大力支持。
 

參考文獻

1. Figlia, G., P. Willnow, and A.A. Teleman, Metabolites Regulate Cell Signaling and Growth via Covalent Modification of Proteins. Dev Cell, 2020. 54(2): p. 156-170.

2. Elia, I. and M.C. Haigis, Metabolites and the tumour microenvironment: from cellular mechanisms to systemic metabolism. Nat Metab, 2021. 3(1): p. 21-32.

3. Ghosh-Choudhary, S., J. Liu, and T. Finkel, Metabolic Regulation of Cell Fate and Function. Trends Cell Biol, 2020. 30(3): p. 201-212.

4. Pavlova, N.N., J. Zhu, and C.B. Thompson, The hallmarks of cancer metabolism: Still emerging. Cell Metab, 2022. 34(3): p. 355-377.

5. 魏文毅，孫毅，曹誠，常智杰，陳策實，陳佺，程金科，馮仁田，高大明，胡榮貴，賈立軍，姜天霞，金建平，李匯華，李衛，劉翠花，劉萱，馬蕾娜，繆時英，饒楓，商瑜，宋質銀，萬勇，王恒彬，王平，王占新，吳緬，吳喬，謝旗，謝松波，謝志平，徐平，許執恒，楊波，陽成偉，應美丹，張宏冰，張令強，趙永超，周軍，朱軍，王琳芳，張宏，王琛，邱小波。類泛素蛋白及其中文命名。科學通報。2018. 63(25): p. 2564-2569。

6. Zhou, L., et al., Protein neddylation and its alterations in human cancers for targeted therapy. Cell Signal, 2018. 44: p. 92-102.

7. Vogl, A.M., et al., Global site-specific neddylation profiling reveals that NEDDylated cofilin regulates actin dynamics. Nat Struct Mol Biol, 2020. 27(2): p. 210-220.

8. Zhao, Y. and Y. Sun, Cullin-RING Ligases as Attractive Anti-cancer Targets. Curr Pharm Des, 2013. 19(18): p. 3215-25.

9. Zhou, Q., et al., Inhibiting neddylation modification alters mitochondrial morphology and reprograms energy metabolism in cancer cells. JCI Insight, 2019. 4(4).

原文文獻

Neddylation inhibition induces glutamine uptake and metabolism by targeting CRL3SPOP E3 ligase in cancer cells. Nature Communications. 2022.

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