在肿瘤/癌症的发生发展的过程中，始终伴随着代谢的重编程。肿瘤细胞通过重编程营养物质获取方式和代谢途径，以满足恶性细胞对生物能量，生物合成和氧化还原的需求。而肿瘤代谢的研究一直是热门领域。
近日，来自比利时VIB-KU Leuven癌症生物学中心的科学家们，在顶级杂志《Nature》上报道了一篇题目为：Breast cancer cells rely on environmental pyruvate to shape the metastatic niche 的文章。又一次把代谢物与肿瘤进展的研究推至高潮。
丙酮酸是体内产生的三碳酮酸, 它是糖酵解途径的最终产物, 在细胞浆中还原成乳酸供能, 或进入线粒体内氧化生成乙酰CoA, 进入三羧酸循环, 被氧化成二氧化碳和水, 完成葡萄糖的有氧氧化供能过程。丙酮酸还可通过乙酰CoA 和三羧酸循环实现体内糖、脂肪和氨基酸间的相互转化, 因此, 丙酮酸在三大营养物质的代谢联系中起着重要的枢纽作用。
在2016年就发现了丙酮酸羧化酶的表达支持乳腺癌的肺转移，随后又发现乳腺癌衍生的肺转移显示丙酮酸羧化酶依赖性的甲状腺功能亢进增加。那当丙酮酸羧化酶与乳腺癌的肺转移有关系，追根溯源，那么丙酮酸是否会有直接作用？这篇文章的作者，用了大量翔实的实验论证了这个假设，认为：丙酮酸可以促进乳腺癌细胞对胞外基质微环境的重构，从而促进了乳腺癌的肺转移进程。
一篇好的文章就是一个好的故事，而好的故事需要“关键结论”来串联。本文就是通过以下四个“关键结论”，拿下了这篇Nature。接下来，为大家详细解读。
首先丙酮酸作为细胞外的小分子物质，是如何跟肿瘤的进展发生关系的呢？作者认为是通过细胞外基质中的胶原蛋白。相关研究表明，肿瘤的转移进程中，细胞外基质的产生和修饰发挥着至关重要的作用。肿瘤细胞可以通过诱导胞外的胶原蛋白羟基化而重构胞外基质微环境，从而促进自身的转移性生长。
在这篇文章中，作者发现发现只有丙酮酸的消耗才会损害乳腺癌细胞的三维生长，而对二维生长只有轻微的影响。而丙酮酸正是通过胶原蛋白的羟基化来驱动细胞外基质的重塑。下图就说明，在多种人、鼠乳腺癌细胞系中，丙酮酸的增加可以显著提高胶原蛋白的羟基化。所以第一个“关键结论”就是：丙酮酸通过诱导胶原蛋白羟基化来驱动细胞外基质的重塑，这导致胶原蛋白稳定性增加。
接下来，作者进一步探讨丙酮酸驱动胶原蛋白羟基化的机制。他们假设在丙酮酸消耗后大量变化的代谢物可以将胶原蛋白羟化作用联系起来。作者发现，在丙酮酸消耗后，α-酮戊二酸，柠檬酸和苹果酸的丰度降低，但只有α-酮戊二酸会和丙酮酸一样增加羟基化胶原的水平。加之其他辅助实验，得到第二个“关键结论”：乳腺癌细胞吸收丙酮酸盐后，通过促进了α-酮戊二酸的生成来驱动胶原蛋白羟基化。
那丙酮酸代谢又是通过几种代谢途径与α-酮戊二酸发生关联呢？最直接的代谢联系是丙氨酸氨基转移酶（ALT）反应，其将丙酮酸和谷氨酸转化为α-酮戊二酸和丙氨酸。通过测量ALT反应代谢物中的13C分布，证明丙酮酸通过ALT转化驱动α-酮戊二酸的产生。
因为羟脯氨酸可以稳定胶原蛋白，从而促进肿瘤转移性生长，其中重要的催化酶就是胶原脯氨酰基-4-羟基化酶（P4HA），那α-酮戊二酸究竟是为底物脯氨酸的提供了碳供体，还是或通过酶动力学代谢活化P4HA呢？
通过沉默吡咯啉-5-羧酸合酶（P5CS）抑制α-酮戊二酸转化为脯氨酸并不能减少羟化胶原蛋白的产生从而排除了第一种机制。所以作者研究了α-酮戊二酸是否可能是P4HA的代谢活化剂。代谢活化取决于代谢物底物和产物驱动的酶活性，即高底物代谢物浓度通过代谢酶激活通量，而高产物代谢物浓度具有抑制作用。因此，如果α-酮戊二酸是P4HA活性的代谢活化剂，则琥珀酸盐作为反应的副产物，应该损害P4HA活性。果然，在乳腺癌成球细胞中加入琥珀酸盐，发现琥珀酸盐显著降低了羟基化胶原蛋白的丰度，而琥珀酸盐上的α-酮戊二酸盐则拯救了它。由此得出第三条“关键结论”：α-酮戊二酸通过激活胶原脯氨酰基-4-羟基化酶（P4HA），而促进胶原蛋白的羟基化修饰。
最后，作者使用两种不同的转移到肺部的乳腺癌小鼠模型研究了已建立的机制是否发生在转移性生态位中。通过在小鼠转移生态模型中，抑制抑制丙酮酸转运蛋白单羧酸转运蛋白2（Mct2）来抑制丙酮酸的摄取，发现可以显著地阻断了胞外胶原蛋白的羟基化修饰水平，并最终抑制了乳腺癌细胞在多种小鼠模型中的肺转移率；而添加α-酮戊二酸在MCT2抑制后却可恢复羟基化胶原的丰度。因此得出第四个“关键结论”：肺转移生态位中的乳腺癌细胞依赖于丙酮酸来驱动基于胶原蛋白的ECM重塑，靶向丙酮酸摄取可以使肺转移生态位中的异常胶原重塑正常化，从而损害转移性生长。
一句话总结
生化是个好东西，你值得拥有。
参考文献
1. Breast cancer cells rely on environmental pyruvate to shape the metastatic niche. https://doi.org/10.1038/s41586-019-0977-x
2. Christen, S. et al. Breast cancer-derived lung metastasis show increased pyruvate carboxylase-dependent anaplerosis. Cell Rep. 17, 837–848 (2016).
3. Shinde, A., Wilmanski, T., Chen, H., Teegarden, D. & Wendt, M. K. Pyruvate carboxylase supports the pulmonary tropism of metastatic breast cancer. Breast Cancer Res. 20, 76 (2018).
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