1.通讯作者及单位：ChristianM.Metallo，加州大学圣地亚哥分校生物工程系

2.摘要

这篇文章作者利用氨基酸代谢和混合的SPT调节内源有毒性的脱氧鞘磷脂从而减缓了肿瘤的发生。靶向线粒体丙酮酸载体促进丙氨酸氧化，减少脱氧鞘磷脂合成，类似于直接抑制SPT或神经酰胺合成观察到的表型。在异种移植小鼠模型中，限制食物中的丝氨酸和甘氨酸可以诱导脱氧鞘磷脂的积累，降低肿瘤的发生。在喂食限制丝氨酸和甘氨酸饲料的小鼠中，SPT药理抑制可以恢复通过抑制磷酸甘油酸脱氢酶（PHGDH）来降低丝氨酸导致的脱氧鞘磷脂的积累和抑制肿瘤的这一现象。因此，SPT的杂乱性将丝氨酸和线粒体丙氨酸代谢与膜脂的多样性联系起来，这进一步使肿瘤对代谢应激敏感。

3.背景

丝氨酸，甘氨酸和其他非必需氨基酸对于肿瘤的发生至关重要，限制它们是潜在的治疗肿瘤的方法，然而具体的分子机制尚不清楚，对脂代谢的影响也未被探索。丝氨酸棕榈基转移酶（SPT）可以催化鞘磷脂的从头合成，当用丙氨酸作为底物时，也会产生非典型1-脱氧鞘磷脂。在SPTLC1或SPTLC2突变或少量可利用的丝氨酸等条件下会有脱氧鞘磷脂的积累，脱氧鞘磷氨酸曾被报道作为抗癌药物被研究。

4.内容

（1）丙氨酸影响非贴壁细胞的生长

非依赖锚定细胞生长是侵袭性肿瘤的一个特征，它通过重新规划代谢来影响生长和生存。本文作者对贴壁培养和球形培养的癌细胞株的代谢物进行了定量，观察到丙氨酸分泌物和细胞内的丰度增加。球形培养降低了丙酮酸脱氢酶(PDH)的量，并通过诱导PDH磷酸化促进还原羧化，表明线粒体代谢的改变会影响丙氨酸水平。

先前观察到，抑制或敲除线粒体丙酮酸载体(MPC)会降低贴壁细胞的丙氨酸水平。MPC抑制剂UK可以显著降低丙氨酸的分泌，降低非依赖锚定培养基中的丰度。MPC在结肠癌中表达量降低，而MPC过表达会损坏球状体的形成和肿瘤的生长。MPC敲低和UK处理都可以显著增加球状体的生长，而贴壁细胞的增殖不受影响。作者使用[U-13C6]葡萄糖进行的代谢追踪研究表明，用UK处理HCT细胞的球状体可以增加丝氨酸的合成，降低葡萄糖的氧化，显著增加丝氨酸/丙氨酸的比例。因此作者假设MPC的抑制可以促进丙氨酸氧化，并用了2,3-13C2标记的丙氨酸在HCT细胞中发现了柠檬酸的富集，用UK处理后观察到丙氨酸向TCA循环代谢的通量增加。肿瘤细胞在线粒体中可以不通过MPC有效合成运输分解丙氨酸，这样阻止了丙氨酸的积累，增加了肿瘤的生长。

这些结果表明丙氨酸对于球状体的生长是有害的。虽然丙氨酸在血浆中含量丰富，但是在大多数组织培养基中并不存在。丙氨酸的补充减少了球状体生长，减轻了MPC抑制或敲除对球状体生长的影响，而附着生长不受丙氨酸的影响。这些结果表明降低丙氨酸水平可以通过抑制MPC来增强锚定独立生长的潜在机制。

（2）氨基酸和脱氧鞘磷脂的合成

丝氨酸在肿瘤中为许多生物合成途径提供原料。为了评价丝氨酸限制对不同途径的影响，作者比较了用丝氨酸处理后的不同酶的KM值。一些酶的KM值等于或高于我们测量的瘤内丝氨酸浓度，这表明它们对丝氨酸的亲和力可能受到丝氨酸限制。SPT是本组中唯一广泛表达的酶。此外，SPT是杂乱的，可以使用丙氨酸而不是丝氨酸作为底物来产生有毒的脱氧鞘磷脂。因此作者假设SPT的功能和脂质代谢可以在不依赖锚定和不含丝氨酸和甘氨酸的生长条件下发生变化，并在这些培养条件下定量鞘氨醇类的多样性。

培养基中丝氨酸的限制促进了1-脱氧鞘氨酸(m18:0)(脱氧鞘氨酸)的生成，降低了HCT球状体的生长。在球形培养条件下或去除丝氨酸和甘氨酸并补充丙氨酸的条件下，游离的脱氧鞘氨酸的水平和脱氧鞘氨酸与鞘氨酸比值都增加了。并且在敲低MPC后，脱氧鞘氨酸的水平明显降低。

（3）鞘磷脂的生物合成和球体生长

为了验证氨基酸代谢是否通过调节去氧鞘磷脂的合成来驱动球形生长的改变，作者直接使用肉豆蔻素靶向SPT，量化了该处理对HCT细胞生长的影响。豆蔻素以剂量依赖的方式促进球体的生长，而在低剂量时对贴壁生长的影响最小。通过定量测定[U-13C3]丝氨酸与鞘氨氨酸的比例，作者证实了10nM的肉豆蔻素抑制了SPT通量。利用富马菌素B1抑制神经酰胺合成酶，以类似于肉豆蔻素的方式促进球形生长，表明了脱氧DHCER的毒性。这些结果表明，改变脱氧鞘磷脂的合成或降解可以促进不依赖锚定的生长。

接下来，作者研究了不同种类的神经酰胺在HCT球状体中是如何改变调节丝氨酸，丙氨酸和SPT通量的。不含丝氨酸和甘氨酸的培养基能显著增加脱氧DHCER水平，SPT和MPC的抑制都可以阻断这种积累，而细胞中脱氧CER并没有明显改变。与预期一致的是，丝氨酸和甘氨酸的限制以及肉豆蔻素处理均可以减少典型的DHCER和神经酰胺（CER）的种类。重要的是，虽然肉豆蔻素降低了所有这些神经酰胺的水平，但UK处理只降低了脱氧DHCER的种类。这些结果证明了脱氧DHCER的积累使癌细胞对不依赖锚定的生长培养相关的压力敏感，以减少生长。

（4）食物中氨基酸的影响

与体外系统相比，丝氨酸、丙氨酸和鞘脂代谢在体内生理环境中是高度缓冲的。接下来，作者给产生HCT异种移植瘤的小鼠喂食对照饲料或缺乏丝氨酸和甘氨酸的异氮源饲料(?SG饲料)，氮平衡是通过增加其他非必需氨基酸，包括丙氨酸来维持的。喂食?SG饲料的小鼠肿瘤较小，其丝氨酸、甘氨酸和丙氨酸水平发生改变，肿瘤大小与小鼠喂食?SG饲料的时间呈负相关。并且喂食?SG饲料的小鼠的肿瘤中脱氧鞘磷脂是变化最明显的脂类，其中脱氧鞘氨酸，脱氧DHCER和脱氧CER增加了5-8倍。因此，从饮食中去除丝氨酸和甘氨酸会导致肿瘤内有毒的脱氧鞘磷脂的积累。与以?SG喂食的小鼠的肿瘤相比，脱氧鞘磷脂种类在肝脏中表现出更适度的增长，这表明肿瘤细胞比其他组织更倾向于合成和积累脱氧鞘磷脂。与脱氧鞘磷脂相比，肿瘤保持了相似的丰富的典型鞘磷脂，如小鼠中DHCER、CER、鞘磷脂和鞘磷脂-1-磷酸，这突出了体内抑制丝氨酸和甘氨酸与细胞培养的关键区别。最后，作者检测到内酰神经酰胺(d18:1/16:0)的显著减少，内酰神经酰胺是复杂膜脂的重要前体物质。总的来说，这些数据表明，除了其他压力外，饮食中丝氨酸和甘氨酸的限制还会导致肿瘤中脱氧鞘磷脂的积累，不利于肿瘤的发生和生长。

（5）抑制SPT和PHGDH可以影响肿瘤的生长。

接下来作者试图通过抑制SPT和脱氧鞘磷脂的合成来回复喂食-SG食物的小鼠HCT异种移植瘤的生长。腹腔给药0.03mg/kg或0.3mg/kg体重。注射抑制剂后小鼠肿瘤明显增加。两种剂量都显著降低了肿瘤中脱氧DHCER和CER的种类，而肝脏中只有高剂量抑制剂减少了神经酰胺。喂食-SG食物且高剂量给药小鼠体重会比其他组下降的多，这表明说明在这个剂量下内源性脂质的生理学功能发生了明显的改变。这些数据表明，低剂量的肉豆蔻素回复了-SG食物引起的肿瘤的生长，(1)减轻了-SG饮食中的脱氧鞘磷脂合成，(2)更好地维持肝脂合成，以支持正常鞘磷脂对肿瘤的供应。

最后，作者试图通过药理学抑制PHGDH，在喂食富含丝氨酸和甘氨酸的饮食的小鼠中降低丝氨酸水平，增加脱氧鞘磷脂的合成，并控制肿瘤的生长。PH可以降低丝氨酸合成并减少丝氨酸和甘氨酸的水平，该化合物能显著降低HCT细胞球状体丝氨酸的合成。PHGDH的抑制可以显著降低肿瘤的生长，同时增加脱氧鞘氨醇的丰度。值得注意的是，1mM丝氨酸的补充促进了球状生长，减少了脱氧鞘氨氨酸的水平。PHGDH抑制也促进A和MCF7细胞的脱氧鞘磷脂积累。最后，作者将PH-注射给正常饮食的小鼠，并在一周后引发异种移植瘤，发现肿瘤和血浆中的丝氨酸和甘氨酸水平，以及肿瘤大小明显降低，同时抑制PHGDH可导致脱氧鞘磷脂在肿瘤中积累，而CER减少。因此，对异种移植瘤小鼠的PHGDH或SPT进行干预可以改变典型的鞘磷脂和脱氧鞘磷脂的平衡，从而影响肿瘤的发生。

5.创新点及可借鉴之处

（1）通过针对丝氨酸、丙氨酸和鞘磷脂代谢的不同节点的组合干预，本研究发现SPT干预和脱氧鞘磷脂的异常产生是导致癌症中丝氨酸限制性表型的驱动因素。

（2）抑制PHGDH可以降低肿瘤中的丝氨酸水平，甚至在富含丝氨酸的饮食中也能促进脱氧鞘磷脂累积。这些体内研究结果强调了肿瘤和组织之间复杂的代谢相互作用对癌症进展的影响。

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