來源：丁香學(xué)術(shù)
導(dǎo)讀
所有腫瘤，包括乳腺癌，都表現(xiàn)克隆異質(zhì)性，這些異質(zhì)性克隆反過來又必須適應(yīng)不斷變化的腫瘤微環(huán)境，這就需要腫瘤細(xì)胞不斷地重組它們的代謝途徑，因此許多腫瘤顯示出高度的代謝靈活性。
MYC 是一種原癌基因和多效轉(zhuǎn)錄因子，在一系列癌癥的惡性進(jìn)展中，具有高表達(dá)水平的克隆以亞克隆的形式出現(xiàn)，通常與較高的分級和較差的生存率相關(guān)。盡管 MYC 被認(rèn)為是代謝的主要調(diào)節(jié)因子，但在多克隆性的病理生理學(xué)背景下，這些惡性亞克隆的真正代謝特征仍不清楚。
近日，來自弗朗西斯克里克研究所等單位的研究團(tuán)隊(duì)在Nature Metabolism發(fā)表了題為 Vitamin B5 supports MYC oncogenic metabolism and tumor progression in breast cancer 的文章。該研究發(fā)現(xiàn)，癌癥驅(qū)動基因 MYC 高表達(dá)的乳腺癌細(xì)胞嚴(yán)重依賴維生素 B5 來生長和存活。通過飲食限制維生素 B5 會引起許多 MYC 介導(dǎo)的代謝改變的逆轉(zhuǎn)，并導(dǎo)致腫瘤生長受阻。
因此，這項(xiàng)研究確定了維生素和輔助因子作為腫瘤進(jìn)展的潛在干預(yù)靶點(diǎn)，將來或可用于腫瘤治療。
圖片來源：Nature Metabolism
主要研究內(nèi)容
乳腺多克隆性腫瘤的原位分割
首先，他們采用了乳腺癌中 MYC 異質(zhì)性的誘導(dǎo)性和可追蹤模型，該模型由 WNT1 驅(qū)動，但也可選擇包含 MYC-ERT2 結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)表達(dá)超生理水平的 MYC-ER 融合蛋白，該腫瘤模型被稱為 WM，涉及兩個致癌基因。無 MYC-ERT2（WMlow）的克隆表達(dá) tdTomato 作為示蹤劑，而有 MYC-ERT2（WMhigh）的克隆表達(dá)增效綠色熒光蛋白（eGFP），此外還有兩個克隆的混合型 WMmix。
他們發(fā)現(xiàn)，三種 WM 腫瘤類型的代謝組學(xué)特征證實(shí)了之前在腫瘤中急性切換 MYC 時的觀察，包括幾種氨基酸水平的增加，以及磷脂酰乙醇胺（PE）、磷脂酰膽堿（PC）和磷脂酰甘油（PG）。WMhigh 腫瘤的代謝分析顯示，與細(xì)胞生長相關(guān)的通路顯著增加，包括絲氨酸和甘氨酸代謝等。
隨后，他們計(jì)劃在原位定義與 WM 個體克隆最密切相關(guān)的代謝物和代謝途徑。為此，他們設(shè)計(jì)了一種多模態(tài)相關(guān)成像策略，將解吸電流聚焦電離（DEFFI）質(zhì)譜成像（MSI）與熒光顯微鏡相結(jié)合。將液相色譜-質(zhì)譜（LC-MS）和 DEFFI-MSI 共同檢測的代謝物進(jìn)行比較，他們發(fā)現(xiàn)在 WMhigh 和 WMlow 腫瘤中，一些代謝物的分布具有良好的一致性。
為了以一種無偏頗的方式分割腫瘤，他們采用了一種最近發(fā)表的離子共定位分析方法，該方法根據(jù)整個獲得的圖像中離子的相似空間行為將其組合成模塊。他們共確定了 6 個離子模塊，其中一個與 WMhigh 相關(guān)，一個與 WMlow 相關(guān)，這兩個模塊一旦投射到 WMmix 腫瘤組織上，就會突出克隆特異性的自動分割。通過分析他們的數(shù)據(jù)，也強(qiáng)調(diào)了這種圖像和分割方法的魯棒性。
圖片來源：Nature Metabolism
維生素 B5 與 MYC 高的腫瘤區(qū)域相關(guān)
為了確定 MYC 介導(dǎo)的代謝重組的核心代謝物，他們將整體代謝分析和 MSI 數(shù)據(jù)相結(jié)合，提取了通過整體代謝途徑分析識別出的所有具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義且改變的代謝產(chǎn)物，并探討了它們與 WMhigh 和 WMlow 腫瘤的相關(guān)性。
經(jīng)過分析，他們發(fā)現(xiàn)其中相關(guān)性最強(qiáng)的是維生素 B5 （泛酸，簡稱 PA）。PA 是輔酶 A（CoA）的前體，輔酶 A 是一種硫醇，通過形成硫酯作為羧基的活化劑。因此，它是許多關(guān)鍵代謝途徑所必需的，包括三羧酸循環(huán)和脂肪酸的生物合成和氧化。值得注意的是，在 WMmix 腫瘤中，維生素 B5 與 WMmix 高克隆體有很高的重疊。
為了研究這一發(fā)現(xiàn)的臨床相關(guān)性，他們首先使用了一組人類患者來源的異種移植（PDXs）皮下移植到免疫受損小鼠。MYC 水平最高或 MYC 轉(zhuǎn)錄譜較強(qiáng)的 PDXs 顯示維生素 B5 水平的升高。為了進(jìn)一步了解 MYC 表達(dá)與維生素 B5 原位表達(dá)之間的關(guān)系，他們采用上述相關(guān)的 MSI 方法，將 DEFFI 成像與免疫組化（IHC）相結(jié)合。相關(guān)結(jié)果也證實(shí)了高 MYC 區(qū)域表現(xiàn)出維生素 B5 水平的升高。值得注意的是，DEFFI 顯示維生素 B5 高信號強(qiáng)度也與人乳腺癌原發(fā)活檢中 MYC 高表達(dá)區(qū)域有很強(qiáng)的相關(guān)性，這支持了 MYC 和維生素 B5 代謝之間關(guān)聯(lián)的臨床意義和總體有效性。
為了確定維生素 B5 在腫瘤 WMhigh 區(qū)域的積累確實(shí)是由 WMhigh 細(xì)胞驅(qū)動的，他們設(shè)計(jì)了一種新的、超高分辨率的相關(guān) MSI 技術(shù)，該技術(shù)結(jié)合了熒光顯微鏡、電子顯微鏡和納米級二級離子質(zhì)譜（NanoSIMS），允許代謝物摻入的亞細(xì)胞定位。分析結(jié)果表明，在 WMhigh 區(qū)域觀察到的維生素 B5 水平的增加是由于細(xì)胞自主地增加了維生素 B5 的攝取，然后用于合成下游代謝產(chǎn)物。
圖片來源：Nature Metabolism
MYC 高的腫瘤區(qū)域三羧酸循環(huán)的中間產(chǎn)物增加
維生素 B5 作為輔酶 A 的前體，在糖酵解過程中允許碳進(jìn)入三羧酸循環(huán)，以及在 α-酮戊二酸轉(zhuǎn)化為琥珀酸的過程中發(fā)揮核心作用。接下來，他們向 WM 腫瘤注入葡萄糖或谷氨酰胺，并通過相關(guān)的 DEFFI-MSI 和熒光顯微鏡原位追蹤其同位素標(biāo)記的下游代謝產(chǎn)物。正如預(yù)期的那樣，與 WMlow 相比，WMhigh 腫瘤中的谷氨酰胺分解代謝增加。
此外，通過對主要代謝化合物的離子圖像進(jìn)行最大強(qiáng)度的歸一化后，他們觀察到三羧酸循環(huán)活性增加與 WMhigh 克隆存在明顯關(guān)聯(lián)。因此，WMhigh 克隆具有更高水平的維生素 B5 ，這反過來與更活躍的三羧酸循環(huán)相關(guān)。因此，MYC 活性的提高促進(jìn)了維生素 B5 的攝取和代謝，從而促進(jìn)了更活躍的三羧酸循環(huán)和代謝產(chǎn)物攝取。
圖片來源：Nature Metabolism
缺乏維生素 B5 會降低腫瘤的生長
鑒于這些觀察結(jié)果，他們進(jìn)一步探索了是否可以在治療上利用腫瘤細(xì)胞對這一途徑的依賴。為了降低全身維生素 B5 水平，他們對小鼠進(jìn)行了無維生素 B5 喂食或?qū)φ诊嬍场＝Y(jié)果發(fā)現(xiàn)，在控制飲食條件下，WMhigh 克隆體有強(qiáng)烈的增殖增加趨勢，但在缺乏維生素 B5 的情況下，這種生長優(yōu)勢就喪失了。此外，維生素 B5 缺乏也與細(xì)胞死亡的增加相一致。因此，腫瘤的高效生長需要充足的維生素 B5 供應(yīng)。
為了了解維生素 B5 剝奪對腫瘤代謝的影響，他們通過 LC-MS 分析無維生素 B5 飲食或?qū)φ战M飲食小鼠的腫瘤組織。正如預(yù)期的那樣，無維生素 B5 飲食小鼠的 CoA 數(shù)量顯著減少。此外，大多數(shù)糖酵解中間體、三羧酸循環(huán)中間體、必需和非必需氨基酸和核苷酸都減少了。
圖片來源：Nature Metabolism
在機(jī)制層面，他們發(fā)現(xiàn)復(fù)合維生素轉(zhuǎn)運(yùn)體 SLC5A6 蛋白表達(dá)和 MYC 之間有很強(qiáng)的相關(guān)性。在一個 MYC 誘導(dǎo)的細(xì)胞系系統(tǒng)中，他們也證實(shí)了 SLC5A6 的表達(dá)是由 MYC 自主調(diào)控的。最后，對公開的 ChIP-seq 數(shù)據(jù)的分析顯示，MYC 與 Slc5a6 啟動子區(qū)域的 e-box 結(jié)合，證實(shí)了 MYC 對 Slc5a6 的直接轉(zhuǎn)錄調(diào)控?？傊@些數(shù)據(jù)證明MYC 可以直接轉(zhuǎn)錄激活 SLC5A6。
圖片來源：Nature Metabolism
結(jié)語
綜上所述，該研究表明，MYC 通過直接上調(diào)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 SLC5A6 來增加腫瘤內(nèi)維生素 B5 水平，這是支撐 MYC 增殖和生物合成程序所必需的。通過飲食限制泛酸會引起許多 MYC 介導(dǎo)的代謝改變的逆轉(zhuǎn)，并導(dǎo)致腫瘤生長受阻。
盡管該研究將維生素 B5 與腫瘤生長聯(lián)系起來，但不能僅僅限制癌癥患者的維生素 B5 攝入量，因?yàn)榫S生素對于免疫系統(tǒng)抵抗腫瘤也十分重要。研究人員現(xiàn)在正在制定策略，在不影響免疫系統(tǒng)的情況下選擇性地削弱腫瘤，以增加獲得良好臨床結(jié)果的可能性。
本研究第一作者Peter Kreuzaler說：「以前的腫瘤代謝研究并不能提供太多關(guān)于腫瘤區(qū)域如何不同地使用維生素等分子的見解。通過在這項(xiàng)研究中使用一種專門的高分辨率成像技術(shù)，我們可以看到不同腫瘤的新陳代謝是如何不同的，并且只要拿走一種維生素就可以阻止一系列癌癥驅(qū)動事件的發(fā)生。在未來，我們將進(jìn)一步觀察在強(qiáng)大的免疫系統(tǒng)中去除維生素 B5 的影響?！?/p>
本研究通訊作者Mariia Yuneva教授說到：「許多人患有癌癥，但治療效果不佳，或者現(xiàn)有的治療方法毒性太大。腫瘤的代謝依賴性已被探索作為癌癥小鼠模型的潛在治療靶點(diǎn)，并顯示出希望。然而，人類的腫瘤要復(fù)雜得多，了解不同基因譜的作用，以及腫瘤與人體自身細(xì)胞之間的相互作用，對于設(shè)計(jì)針對人類腫瘤代謝的有效療法非常重要。正常的身體功能需要維生素 B5，所以試圖限制維生素 B5 進(jìn)入腫瘤可能會產(chǎn)生毒副作用。但測試改變維生素水平如何對治療產(chǎn)生影響，或者我們?nèi)绾卫镁S生素 B5 代謝來表征一個人患的是什么類型的腫瘤，以及它是否會對不同的治療產(chǎn)生反應(yīng)，這將是很有趣的。」
題圖來源：站酷海洛
參考文獻(xiàn)：
1. Peter Kreuzaler, ?et al. Vitamin B5 supports MYC oncogenic metabolism and tumor progression in breast cancer. Nature Metabolism, 2023.
2. ?McGuirk, S., Audet-Delage, Y. & St-Pierre, J. Metabolic fitness and plasticity in cancer progression. Trends Cancer Res. 6, 49–61 (2020).
3. ?Dibble, C. C. et al. NPI3K drives the de novo synthesis of coenzyme A from vitamin B5. Nature 608, 192–198 (2022).
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