导读
在低氧应激中存活的肿瘤细胞获得了推动癌症进展的能力。为了探讨脱氢酶在低氧浓度反应中的作用，我们利用针对163个脱氢酶编码基因的siRNA，发现谷氨酸脱氢酶1(GDH1)在调控结直肠癌(CRC)细胞在低氧条件下的生存中起着关键作用。我们观察到，GDH1缺乏对CRC的发生有抑制作用，并损害了缺氧诱导因子1-α(HIF-1a)的稳定性，即使在低氧下也是如此。在机制上，低氧引发p300募集到GDH1，促进其在K503和K527的乙酰化。K527位的GDH1乙酰化诱导与EGLN1/HIF-1a形成GDH1复合体；相反，K503位的GDH1乙酰化增强了其与α-酮戊二酸(AKG)的亲和力和谷氨酸的产生。根据这一观点，AKG是GDH1在常氧条件下的产物，但低氧刺激逆转了GDH1酶的活性，并通过EGLN1/HIF-1a复合体消耗AKG，增加了HIF-1a的稳定性，促进了结直肠癌的进展。临床上，低氧调控的GDH1 AcK503/527可作为判断结直肠癌进展的生物标志物，是结直肠癌治疗的潜在靶点。
论文ID
题目：Glutamate dehydrogenase1 supports HIF-1a stability to promote colorectal tumorigenesis under hypoxia
译名：谷氨酸脱氢酶1支持HIF-1a稳定性促进低氧下结直肠肿瘤的发生
期刊：EMBO J
IF：14.012
发表时间：2023.4.24
通讯作者单位:中山大学第三附属医院
DOI号：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37092319/
主要内容
当细胞外耗氧的应激信号被传导到细胞内的EGLN1时，就会发生一种称为缺氧的应激过程。在低氧中存活的肿瘤细胞获得了转移、抵抗药物或耐受营养限制的能力。然而，肿瘤细胞如何在低氧条件下存活仍不清楚。据报道，HIF1a在缺氧时稳定并在多种癌细胞中积聚，与许多不同类型的肿瘤的进展和不良临床结果有关，包括结直肠癌(CRC)。因此，发现一种潜在的策略来调节肿瘤细胞对低氧的反应将具有重要意义。
在本研究中，通过针对163个脱氢酶编码基因的siRNA筛选，我们发现GDH1具有耐缺氧能力。代谢酶缺陷对器官发育和病理的影响研究较少。利用Cre-loxP重组系统选择性地消耗特定器官中的代谢酶，我们获得了一种在小肠中缺乏GDH1基因的小鼠模型。虽然GDH1基因敲除对肠道发育没有显著影响，但AOM/DSS治疗不能有效地诱导肠道GDH1缺失小鼠的CRC。因此，首先，通过一系列的体外和体内实验，我们确定了GDH1通过使肿瘤细胞适应低氧应激而在结直肠癌发生中的致癌作用。
血管的形成发生在实体瘤形成的后期，使实体瘤受到许多压力，如缺氧和营养限制。实体肿瘤已经发展出应对这些压力并存活下来的策略。在这里，我们研究了与低氧和营养限制相关的应激反应信号通路。GDH1基因缺陷小鼠结直肠癌组织中AMPK磷酸化水平和HIF1a水平显著低于WT小鼠。我们以前报道过GDH1在缺糖状态下调节AMPK的磷酸化。在目前的研究中，我们发现GDH1也在调节HIF1a稳定性方面发挥作用。HIF1a调控一系列与肿瘤细胞生长相关的靶基因，如GLUT1、HK1、PGK1和CCND1。因此，在GDH1缺陷的CRC细胞中，这些基因的表达显著降低。
GDH1赋予肿瘤细胞对缺氧的抵抗力，促进肿瘤的发生
在细胞系和动物模型中，我们初步证实GDH1在缺氧条件下稳定HIF1a是必需的。在不同的细胞环境中，GDH1的缺失导致细胞内AKG水平下降25%-60%。鉴于AKG是TET、DNMT和EGLN家族成员的辅因子，可以合理地假设AKG水平的变化会改变这些酶的活性。EGLN家族依赖于多种底物和辅因子的活性，包括AKG、2HG和铁的可用性，以及氧化应激的存在。据报道，EGLN1的活性不仅受氧的调节，还受与其类似物2HG竞争的胞内代谢物AKG的调节。例如，据报道，BCAT1通过降低EGLN1酶的活性和提高HIF1a蛋白的稳定性来限制AKG水平，从而促进胶质瘤的发生和存活；因此，BCAT1和EGLN1之间的相关性可以被提出。然而，在他们的研究中没有检查生物化学指标。事实上，EGLN1对AKG的Km值为1.3Lm，而在不同的细胞环境中，AKG的胞内浓度在10-200Lm的范围内变化，这不足以影响EGLN1酶的活性。同时，尽管2HG是一种公认的AKG竞争性抑制剂，但在本研究中，补充细胞通透性辛基-2HG引起的2HG的全球增加对EGLN1活性没有影响。这一结果得到了之前的一份报告的支持，该报告显示IDH1-R132H突变体利用AKG作为底物并产生R2HG，而R2HG不稳定HIF1a蛋白。相反，强制表达IDH1-R132H突变体会降低AKG，但增加HIF1a蛋白。上述研究的不一致结果表明，细胞内AKG或2HG的全球变化并不统一地影响EGLN1的活性。因此，我们应该将我们的视角转向信号转导介导的AKG局部变化。
小鼠肠道中GDH1的缺失会损害结直肠癌的形成
在低氧条件下，GDH1在K503和K527处同时发生乙酰化，分别调节GDH1酶的活性和靶向EGLN1/HIF1a复合体。赖氨酸乙酰化可以改变酶的活性、蛋白质的稳定性和蛋白质之间的相互作用，以及其他作用。低氧诱导的GDH1在K503位的乙酰化可能抵抗AKG反馈抑制GDH1，之后GDH1可以利用AKG作为底物产生谷氨酸。当底物和产物的浓度不再被酶改变时，反应的方向将被确定。如果产物的积累或酶对产物的亲和力显著增加，就会发生可逆反应。我们以前报道过PGK1的磷酸化在刺激驻留的组织巨噬细胞分泌IL-6时引起可逆反应。
为了确定缺氧诱导的GDH1和EGLN1之间的相互作用以及GDH1 AKG产生活性降低对EGLN1活性的影响，我们进行了一系列实验。我们首先测定了具有不同遗传操作的细胞中的EGLN1活性，并使用了不同GDH1突变体与EGLN1孵育的体外实验，结果初步将GDH1 K503和K527乙酰化与EGLN1活性联系起来。接下来，我们应用放射性14C-AKG-EGLN1结合分析和IP-LC/MS测定来确定EGLN1与AKG结合的相对数量。综上所述，这些数据表明，缺氧时发生反向GDH1酶反应，耗尽EGLN1周围的AKG或削弱EGLN1与AKG的亲和力。
肿瘤细胞需要GDH1-K503和GDH1-K527乙酰化来同时降低缺氧条件下EGLN1的活性
据报道，P300能积极调节HIF1a蛋白的稳定性，而MUC1与HIF1a和P300在物理上相互作用，从而在蛋白质水平上稳定HIF1a。我们一直证实，p300在缺氧条件下使GDH1乙酰化，并将p300与EGLN1活性和HIF1a稳定性联系起来。此外，HIF1a显著促进GDH1与p300之间的相互作用，并上调GDH1乙酰化。GDH1乙酰化的启动主要促进了HIF1a的稳定，进而促进了GDH1与p300之间的相互作用，形成了HIF1a快速积累和对低氧胁迫的快速反应的正循环。这应该是一个重要的正反馈回路，使肿瘤细胞在面临缺氧时能够存活。
机制模型图
总结
虽然代谢重编程是肿瘤发生和发展的标志，但对调节结直肠癌耐缺氧和促进生存的代谢酶和肿瘤代谢物知之甚少，很少有代谢酶或分子被确定为潜在的原位生物标志物。在本研究中，K527位的GDH1乙酰化促进了GDH1与EGLN1/HIF1a的锚定，而K503位的GDH1乙酰化促使GDH1以AKG为底物产生谷氨酸，这一过程降低了EGLN1/HIF1a复合体中AKG的浓度或削弱了EGLN1与AKG的结合能力，这两个过程都反过来稳定了HIF1a。因此，K503和K527上GDH1的乙酰化是结直肠癌进展的潜在生物标志物，GDH1/EGLN1轴是结直肠癌治疗的潜在靶点
原文链接
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37092319/
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