細(xì)胞衰老是指一種穩(wěn)定的細(xì)胞生長阻滯狀態(tài)，并伴有形態(tài)、生化及表觀遺傳的改變，腫瘤組織惡變前?？蓹z測到衰老細(xì)胞的存在。長期以來，許多科學(xué)家認(rèn)為細(xì)胞衰老對抑制潛在癌細(xì)胞增殖具有重要作用，但目前也有研究認(rèn)為，除了抑制腫瘤發(fā)生，細(xì)胞衰老也可能會促進(jìn)腫瘤的演進(jìn)，細(xì)胞衰老其實發(fā)揮了雙刃劍作用。因此， 深入了解衰老與腫瘤的關(guān)系，利用細(xì)胞衰老機(jī)制對腫瘤的抑制作用，可為腫瘤的治療提供新途徑。 9 月 17 日，在一篇發(fā)表在《分子細(xì)胞》（Molecular Cell）期刊上的論文中，蒙特利爾大學(xué)和麥吉爾大學(xué)的研究人員證明一種叫做 HTC（氫化物轉(zhuǎn)移復(fù)合物）的酶復(fù)合物可以抑制細(xì)胞衰老，這項研究或為癌癥新療法開辟一條新道路。 

圖｜HTC 的作用機(jī)制（來源：Molecular Cell） 

“ 最有趣的是，這些酶的抑制阻止了前列腺癌細(xì)胞的生長，這表明 HTC 可能是開發(fā)包括前列腺癌在內(nèi)的多種癌癥新療法的關(guān)鍵靶點。 HTC 可以被某些癌細(xì)胞劫持，以改善其代謝，抵抗缺氧環(huán)境并增殖。” 蒙特利爾大學(xué)生物化學(xué)教授、蒙特利爾大學(xué)醫(yī)院研究中心（CRCHUM）首席科學(xué)家、論文通訊作者之一 Gerardo Ferbeyre 說道。

HTC 發(fā)揮作用的原理

細(xì)胞衰老是一種廣泛作用的腫瘤抑制機(jī)制，其中攜帶致癌突變的細(xì)胞由于線粒體功能障礙、氧化應(yīng)激、DNA 損傷和腫瘤抑制因子激活的慢性狀態(tài)而不能擴(kuò)展。線粒體功能失調(diào)是新生細(xì)胞對短端粒或癌基因反應(yīng)的一個標(biāo)志。線粒體功能障礙相關(guān)衰老的特征是 NAD+（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，一種轉(zhuǎn)遞質(zhì)子的輔酶，它出現(xiàn)在細(xì)胞很多代謝反應(yīng)中，NAD 的氧化形式）/NADH（NAD 的還原形式）減少，活性氧（ROS）增加。因此，了解癌細(xì)胞如何克服衰老特征的細(xì)胞增殖障礙（包括線粒體功能障礙）很重要。衰老細(xì)胞線粒體功能障礙的起源尚不清楚。 在癌基因誘導(dǎo)的衰老（OIS）過程中，一些蛋白質(zhì)的降解影響細(xì)胞增殖所需的各種過程。其中一種蛋白質(zhì)是信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子 3（STAT3），它調(diào)節(jié)細(xì)胞核中的轉(zhuǎn)錄以及線粒體中的電子傳遞和氧化磷酸化。 STAT3 的線粒體功能是致癌 RAS 蛋白進(jìn)行細(xì)胞轉(zhuǎn)化所必需的。造血干細(xì)胞中 STAT3 的缺失導(dǎo)致線粒體功能障礙、ROS 的過度產(chǎn)生和血細(xì)胞的早衰。 這些研究表明，STAT3 的線粒體功能可能是防止衰老所必需的。

圖｜p53 失活重組線粒體功能障礙的衰老細(xì)胞代謝（來源：Molecular Cell）

為了發(fā)現(xiàn)彌補(bǔ)線粒體功能障礙的細(xì)胞途徑并使腫瘤細(xì)胞避免衰老，研究人員使用了幾種細(xì)胞衰老模型。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，STAT3 缺失誘導(dǎo)的衰老需要 NAD+/NADH 比率降低，這是由 p53 和視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤蛋白（RB）腫瘤抑制劑的作用維持的。p53 和 RB 抑制一種酶復(fù)合物，該酶復(fù)合物催化代謝循環(huán)，將氫化物陰離子從 NADH 轉(zhuǎn)移到 NADP+，從而再生 NAD+ 并供應(yīng) NADPH，經(jīng)分析，這種氫化物轉(zhuǎn)移復(fù)合物（HTC）由蘋果酸酶1（ME1）、蘋果酸脫氫酶1（MDH1）和丙酮酸羧化酶（PC）組成，可在體外與純蛋白質(zhì)組裝。引人注目的是， 即使在缺乏 p53 的情況下，抑制 HTC 也會導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞衰老，揭示了靶向這種新的代謝物的治療潛力。

一些關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)

STAT3 的缺失導(dǎo)致衰老、線粒體功能障礙和低 NAD+/NADH 比率。 研究表明，線粒體功能失調(diào)和 NAD+/NADH 比率低的細(xì)胞無法合成足夠的天冬酰胺和天冬氨酸，但補(bǔ)充 STAT3 缺失細(xì)胞 20 mM天冬氨酸只能適度挽救 STAT3 缺失后的增殖缺陷和衰老，并且 NAD+/NADH 比率沒有正?；傊?，這些數(shù)據(jù)表明 NADH 再氧化失敗與細(xì)胞衰老的誘導(dǎo)有關(guān)。研究人員還發(fā)現(xiàn)，p53-RB 抑癌基因控制著 NAD+ 再生代謝周期。 STAT3 的缺失導(dǎo)致 p53 和 RB 腫瘤抑制通路的激活，這兩種通路都是衰老的介質(zhì)。p53 或 p21 的失活阻止了 STAT3 缺失引起的生長停滯和衰老，有趣的是，p53 失活也恢復(fù)了 STAT3 缺失細(xì)胞的 NAD+/NADH 比率?？偟膩碚f，結(jié)果表明 STAT3 缺失細(xì)胞中的 p53 或 p21/RB 途徑失活增加了 NAD+/NADH 比率，以維持繞過衰老的細(xì)胞的氧化代謝。 

圖｜催化氫化物轉(zhuǎn)移反應(yīng)的酶的共定位和相互作用（來源：Molecular Cell） 

那么，HTC 的生物化學(xué)和生物物理特性是怎樣的？ 為了確定 HTC 酶共免疫沉淀所需的區(qū)域，研究人員使用了一系列缺失突變體，除了全長 PC 外，還確定來自位置 430–1178 和 1–956 的片段與 MDH1 和 ME1 形成復(fù)合物，并繪制了與 PC 和 ME1 共免疫沉淀所需的 MDH1 區(qū)域。研究數(shù)據(jù)顯示，HTC 酶導(dǎo)致 STAT3 缺失細(xì)胞的代謝重編程，以恢復(fù) NAD+ 水平并增加 NADPH，這與抑制衰老表型平行。 此外，HTC 過度表達(dá)細(xì)胞中的丙酮酸優(yōu)先通過 PC 轉(zhuǎn)化為 OAA，隨后通過 MDH1 補(bǔ)充 TCA 循環(huán)（三羧酸循環(huán)，是需氧生物體內(nèi)普遍存在的代謝途徑）和 NAD+ 再生?？傊@些結(jié)果表明 HTC 過度表達(dá)細(xì)胞的代謝程序與在 p53 失能細(xì)胞中觀察到的代謝程序相當(dāng)，HTC 酶在催化 NAD+ 再生和 NADPH 生成的復(fù)合物中起重要作用，以減少氧化應(yīng)激和繞過衰老。 

圖｜抑制 HTC 會引發(fā)衰老（來源：Molecular Cell） 

HTC 酶對于防止細(xì)胞衰老至關(guān)重要。 在小鼠胚胎成纖維細(xì)胞（MEF）中，HTC 酶的表達(dá)與致癌 RAS 的結(jié)合阻止了衰老，允許集落形成，誘導(dǎo)小鼠腫瘤形成。此外， 研究人員還發(fā)現(xiàn) HTC 酶在前列腺癌中的高度表達(dá)。 HTC 酶的高表達(dá)可能允許前列腺上皮細(xì)胞覆蓋 STAT3 消融引起的衰老，在 60% 以上的人類前列腺腺癌中，每種 HTC 酶的染色強(qiáng)度都很高，但在正常前列腺或前列腺增生癥（BPH）患者中的染色強(qiáng)度較低?？傊?，這些結(jié)果表明 HTC 酶在前列腺癌中起著關(guān)鍵作用，HTC 可能有助于在缺氧條件下生長的細(xì)胞中觀察到的衰老旁路。

有望開發(fā)出新型抗癌藥物

整體而言， 研究人員證明了繼發(fā)于線粒體功能障礙的 NAD 代謝改變可以通過先前未被識別的代謝循環(huán)來補(bǔ)償，復(fù)合物中每種酶的活性中心的接近可能通過每種底物的擴(kuò)散或通道化加速代謝通量。 各項研究數(shù)據(jù)表明，HTC 通過繞過或促進(jìn)逃避細(xì)胞衰老而在腫瘤形成中發(fā)揮作用。HTC 酶的表達(dá)足以使原代小鼠成纖維細(xì)胞與致癌 RAS 協(xié)同轉(zhuǎn)化，因此在功能上相當(dāng)于 p53 的缺失，由于 HTC 酶被 p53 抑制，研究進(jìn)一步證明，控制代謝是 p53 的主要腫瘤抑制功能。HTC 提供兩種轉(zhuǎn)化功能：依賴 NAD+ 再生的永生化和依賴 NADPH 生成的抗氧化活性。這些功能對于缺氧條件下的細(xì)胞存活或在乳酸中生長的不能利用 LDH（乳酸脫氫酶）反應(yīng)再生 NAD+ 的細(xì)胞也很重要。HTC 酶在包括小鱗狀肺癌和前列腺癌在內(nèi)的幾種癌癥中的表達(dá)呈正相關(guān)，因此， 靶向 HTC 可用于開發(fā)新型的抗癌治療方案。

（來源：Pixabay） 

這項研究也有一些局限性，研究人員表示，p53 失活后 PC 重新定位到胞漿的機(jī)制仍然未知。盡管研究人員能夠在體外顯示 HTC 形成的證據(jù)，但復(fù)雜的組裝效率相對較低，這表明重組蛋白可能缺乏有助于穩(wěn)定 HTC 復(fù)合物的翻譯后修飾。研究人員提供的證據(jù)表明 PC、MDH1 和 ME1 是 HTC 復(fù)合物的核心，但卻無法估計它們的精確化學(xué)計量比。重要的是，至少有一些 HTC 包含在大于 1 MDa 的復(fù)合物中，這表明可能還存在其他成分。雖然回答上述問題需要進(jìn)一步探究，但現(xiàn)有發(fā)現(xiàn)豐富了腫瘤細(xì)胞劫持特定代謝途徑的概念，這些代謝途徑支持增殖和合成代謝反應(yīng)，同時保護(hù)氧化應(yīng)激。 相關(guān)研究工作的下一步將是生成酶復(fù)合物的詳細(xì)高分辨率結(jié)構(gòu)，以便設(shè)計能夠調(diào)節(jié)其功能的藥物。 

參考資料：

https://www.eurekalert.org/news-releases/928285 http://www.pibb.ac.cn/html/2018/5/20170450.htm 

本文來自微信公眾號“學(xué)術(shù)頭條”（ID:SciTouTiao），作者：庫珀，編審：寇建超，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

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