科研 | Cancer Res:在核苷酸生物合成中靶向亚型特异性代谢偏好可抑制乳腺癌模型中的肿瘤生长

编译:微科盟大陈子,编辑:微科盟Tracy、江舜尧。

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导读

研究癌症中的代谢重组可以发现针对目前缺乏靶向疗法的乳腺癌亚型的新治疗策略。在本研究中,我们使用MMTV-Myc-驱动的肿瘤来模拟乳腺癌的异质性,研究两种组织学亚型,上皮间充质转化(EMT)和乳头状亚型之间的代谢差异。我们通过基因组和代谢组学技术的结合确定了EMT和乳头状肿瘤亚型之间核苷酸代谢的差异:EMT肿瘤优先使用核苷酸挽救途径,而乳头状肿瘤优先使用de novo核苷酸生物合成。CRISPR/Cas9基因编辑和基于质谱的方法显示,在每个亚型中靶向首选通路比靶向非首选通路产生更大的代谢影响。敲除每个亚型中的首选核苷酸途径对体内肿瘤生长产生负面影响,而敲除非首选途径的影响较小,甚至可能导致肿瘤生长的增加。综上所述,这些数据表明代谢通路的利用存在显著差异,可区分EMT和乳头状乳腺癌亚型,并将其作为提高亚型特异性诊断和治疗策略的手段。

论文ID

原名:Targeting Subtype-Specific Metabolic Preferences in Nucleotide Biosynthesis Inhibits Tumor Growth in a Breast Cancer Model
译名:在核苷酸生物合成中靶向亚型特异性代谢偏好可抑制乳腺癌模型中的肿瘤生长
期刊:Cancer Research
IF:9.727
发表时间:2021.01
通讯作者:Sophia Y Lunt
通讯作者单位:密歇根州立大学

实验设计

1. 整合代谢组学分析和公开的基因表达数据研究EMT和小鼠乳头状乳腺肿瘤亚型之间代谢通路活性的差异;
2. 使用转录组分析EMT和乳头状肿瘤之间核苷酸代谢的基因表达差异;
3. 采用Kaplan-Meier曲线确定de novo关键基因和挽救基因在人类乳腺癌中表达的潜在临床相关性;
4. 使用CRISPR/Cas9基因编辑技术研究核苷酸生物合成基因PPAT和APRT的重要性;
5. 通过小鼠实验进一步确定针对每个亚型的首选核苷酸生物合成途径的体内效果。

实验结果

1. MMTV-Myc小鼠乳腺肿瘤的代谢物库大小和基因表达模式暗示不同亚型间核苷酸代谢通路活性的差异

为了鉴别EMT和小鼠乳头状乳腺肿瘤亚型之间代谢通路活性的差异,我们整合了代谢组学分析和公开的基因表达数据。从已知组织学亚型的快速冷冻肿瘤切片中提取代谢产物(图1A),并使用液相色谱串联质谱(LC-MS/MS)进行定量。我们发现,EMT和乳头状肿瘤中涉及戊糖磷酸途径(PPP)的代谢产物以及与核苷酸代谢相关的代谢产物存在显著差异(图1B,补充表1)。值得注意的是,PPP中间体包括葡萄糖酸内酯、核糖5-磷酸、核酮糖5-磷酸和赛庚糖磷酸在EMT亚型中均高于乳头型。PPP有几个重要的功能,包括(1)生产可用于核苷酸生物合成或转化为糖酵解中间体的5-磷酸核糖;(2) NADPH形式的还原性物质产生;(3)生成赤藻糖,也可转化为糖酵解中间体。EMT与乳头状肿瘤中与核苷酸代谢相关的几种代谢产物也有所不同(图1B;补充表1),例如,EMT肿瘤与乳头状肿瘤相比有更高水平的肌苷单磷酸(IMP)、腺嘌呤和肌苷。腺嘌呤和肌苷都是核苷酸代谢分解和挽救途径的中间体,而IMP是嘌呤生物合成的中间体。为了研究这些代谢物水平如何反映基因表达的差异,我们从基因表达综合数据库 (GEO)下载了EMT和乳头状肿瘤的基因表达数据,并使用Reactome数据库中的代谢相关基因集应用基因集富集分析(GSEA)。该分析显示,与乳头状亚型相比,参与PPP(图1C)和核碱基生物合成(图1C)的基因在EMT亚型中均显著富集,表达较低。因此,在EMT肿瘤中观察到的较高水平的PPP代谢物和IMP(图1B)可能反映了通过PPP和碱基生物合成途径的通量减少造成的积累。总的来说,这些数据与我们之前的体外研究结果一致,我们在EMT细胞中观察到的核苷酸生物合成低于乳头状细胞。结合我们之前的研究结果,这些发现进一步证明了EMT和乳头状肿瘤在体内核苷酸代谢存在显著差异。

1 代谢谱和基因表达模式表明MMTV-Myc EMT和乳头状肿瘤亚型之间核苷酸代谢的差异
(A) EMT和乳头状肿瘤亚型的代表性组织学图像。(B)热图显示EMT和乳头状肿瘤之间的相对代谢差异。黄色和蓝色框分别表示相对于乳头状亚型的平均值增加或减少的代谢物水平。具有统计学显着性差异(p<0.05)的代谢物以粗体显示并用星号标记(*)统计比较列于补充表1中。(C)与乳头状肿瘤相比,EMT低表达的戊糖磷酸通路基因集富集分析(p-= 0.014FDR q-= 0.16)(D)与乳头状肿瘤相比,EMT低表达的参与碱基生物合成的基因集富集分析 (p-value= 0.039FDR q-value = 0.18)

2. EMT亚型中核苷酸挽救基因表达增加

为了进一步分析EMT和乳头状肿瘤之间核苷酸代谢的基因表达差异,我们使用转录组分析控制台(TAC)软件。我们对基因列表进行过滤,包括核苷酸代谢和Reactome数据库中的PPP基因。根据我们的基因集富集分析(GSEA)结果(图1C-D),我们预计参与de novo核苷酸生物合成和PPP的基因在乳头状亚型中有更高的表达。事实上,PPP中的许多基因包括PGLS、PGD、RPE、RPIA、TKT和TALDO1在乳头状亚型中显著高表达(补充图1)。在EMT亚型中,我们发现相对表达最高的基因是UPP1,其在EMT亚型中的表达比乳头状亚型高18倍(补充表2)。UPP1为编码尿苷磷酸化酶1,这是一种参与嘧啶回收的酶,再结合在EMT中观察到核苷酸补救途径中间体腺嘌呤和肌苷的含量增加(图1B),这表明EMT亚型具有核苷酸挽救途径偏好性。细胞骨架蛋白波形蛋白是EMT亚型中表达增加的间质标记物(补充图2A),已被证明与UPP1相关并形成酶功能复合物;此外,乳头状肿瘤的MYC表达明显高于EMT肿瘤(补充图2B)。MYC在核苷酸代谢中调控许多基因的表达,包括新生生物合成基因,因此,我们决定重点分析涉及de novo核苷酸生物合成和核苷酸挽救途径的基因。层次聚类显示了两大类基因,如图2A中的树状图所示:第一组,较小的一组包括许多在EMT肿瘤中显著高表达的核苷酸挽救基因;第二组,较大的一组主要包含新生生物合成基因,与乳头状肿瘤相比,EMT中显著低表达,因此,EMT肿瘤相对倾向于核苷酸挽救,而乳头状肿瘤更倾向于de novo生物合成。我们还考虑了GSEA结果的核苷酸挽救途径;然而,尽管该通路中的几个基因在EMT亚型中显著高表达,但该基因集整体上对EMT亚型并没有显著富集(补充图3;补充表2)。根据以上结果,我们认为每种亚型特异性的核苷酸生物合成具有潜在代谢偏好,乳头型更倾向于de novo生物合成,EMT亚型更倾向于核苷酸挽救(图2B)。

2 EMT亚型中核苷酸挽救基因表达量较高,乳头状亚型中新生生物合成基因表达量较高
(A)描述核苷酸代谢相关基因表达的热图。基因通过分层聚类进行分类,并通过与核苷酸代谢途径的关系进行颜色编码。行标签是原始数据集中的样本ID。将数据标准化为每个基因的乳头状亚型的平均表达。具有统计学显着性差异(FDR p<0.05)的基因用星号标记(*)统计比较列于补充表2中。(B)核苷酸生物合成途径概述。代谢中间体和基因根据亚型特异性关系进行标记。
3.de novo合成关键基因和挽救基因表达与较差的患者预后相关

迄今为止,我们的结果说明了不同的组织学亚型利用不同的途径来满足相同的核苷酸代谢需求,接下来,我们试图确定这些基因在人类乳腺癌中表达的潜在临床相关性。我们着重关注基因磷酸核糖焦磷酸酰胺基转移酶(PPAT)和腺嘌呤磷酸核糖基转移酶(APRT),因为它们分别编码de novo进行嘌呤生物合成和挽救嘌呤碱基腺嘌呤的限速步骤,我们的研究结果表明,PPAT在乳头型中表达明显增高和APRT在EMT亚型中表达明显增高(图2B;补充表2)。此外,APRT蛋白水平在EMT肿瘤较高;由于缺乏合适的抗体,我们无法获得可靠的PPAT蛋白水平结果(补充图4)。我们使用KM绘图仪(使用GEO数据集挖掘的患者数据生成Kaplan-Meier曲线),通过PPAT和APRT的相对基因表达来生成患者的生存曲线。我们发现,一般而言,同时表达PPAT和APRT的患者比不表达这些基因的患者具有更差的无复发生存期(RFS) (图3A)。当进一步根据内在亚型对患者进行划分时,我们也可以观察到这种趋势。PPAT和APRT的高表达在管腔乳腺癌A患者(图3B)和管腔乳腺癌B患者(图3C)中具有相似的意义;然而,对于HER2+(图3D)和基础乳腺癌(图3E)患者,PPAT高表达不再与RFS降低相关,而APRT高表达仍然显著。当考虑患者总生存期(OS)时,这些趋势通常也会得到维持(补充图5A-E),但在腔管乳腺癌B和HER2+患者中,PPAT高表达和APRT高表达不再分别与OS恶化相关。这些结果强调了核苷酸代谢在乳腺癌中的潜在重要性,并进一步表明新生嘌呤生物合成可能对腔型乳腺癌最重要,而挽救可能对所有乳腺癌亚型都相关。

3 新生核苷酸生物合成基因PPAT和核苷酸挽救基因APRT的表达与乳腺癌亚型的无复发生存密切相关
(A)所有乳腺癌患者和(B-E)特定乳腺癌亚型的Kaplan-Meier生存曲线。统计上显着的关系(p<0.05)以粗体显示并用星号(*)标记。
4. 敲除de novo和挽救基因以亚型特异性方式破坏细胞代谢

为了进一步研究核苷酸生物合成基因PPAT和APRT在我们模型中的重要性,我们使用CRISPR/Cas9基因编辑在EMT和乳头状肿瘤衍生细胞系中靶向每个基因。我们同时用非靶向scramble指南RNA为每个亚型生成嘌呤霉素耐药对照细胞系,通过连续稀释分离出每个亚型的克隆系、敲除(KO)和嘌呤霉素抗性scramble control(PSC),还通过分解跟踪插入缺失(TIDE)分析证实了基因编辑的成功(补充图6)。我们也通过Western blot蛋白表达来确定KO成功(补充图7A),虽然APRT抗体性质良好,但PPAT条带不确定,在预测的PPAT分子量附近有多个微弱条带,因此,我们也进行了同位素标记研究,功能性地评估13C -葡萄糖是如何融入这些细胞系中的嘌呤生物合成。我们推断ATP的M-5同位素代表了两种途径的产物,因为ATP的M-5同位素主要来源于一个完全标记的PRPP分子和一个完全未标记的腺嘌呤碱基,而de novo和挽救途径都利用PRPP作为底物。相比之下,M1-4和M6-10同位素需要标记腺嘌呤碱基,这只能通过de novo生物合成来实现,因此,我们将ATP同位素分为未标记(M-0)、可能来自de novo或挽救途径的ATP (M-5)和只能来自de novo生物合成的ATP (M1-4和M6-10)。使用这种方法,我们发现与对照组相比,敲除挽救性基因APRT导致ATP同位素标记增加,而在这两种亚型中,ATP只能来自于新生生物合成(图4;补充表3),因为现在更多的ATP来自新生生物合成,而不是挽救;此外,靶向新生生物合成基因PPAT导致新生生物合成的ATP同位素标记显著减少(图4;补充表3);然而,在每个亚型的PPAT KO细胞系中我们都观察到少量标记到新生生物合成的特定ATP同位素,这意味着在这些细胞系中仍可能发生少量的新生嘌呤生物合成;然而,这些结果仍然提供了强有力的证据,证明在APRT和PPAT KO细胞系中核苷酸挽救和新生生物合成的代谢活性都显著降低。

我们还使用上文所述的靶向LC-MS/MS方法分析了CRISPR编辑细胞系相对于每个各自亚型的控制系中广泛代谢物的丰度。这种比较使我们有可能确定当每个亚型的核苷酸代谢的首选途径或非首选途径被靶向时,EMT或乳头状细胞是否会发生代谢改变。每个亚型内的这些变化可以与其他亚型的代谢变化进行比较,以确定这些变化是否基于代谢途径偏好的亚型特异性。我们发现细胞系之间在几个代谢途径上存在显著差异(补充图8;补充表4),正如预期的那样,变化最一致的代谢物包括PPP相关代谢物(图5A)、核苷三磷酸(NTPs;图5B)和脱氧核苷三磷酸(dNTPs;图5C)。值得注意的是,当针对每个亚型的首选代谢途径时,这些代谢物的相对丰度通常是不同的,例如,与乳头状对照和APRT KO细胞系相比,乳头状PPAT KO细胞系中ATP(图5B)和dATP(图5C)水平显著降低,而EMT PPAT KO对这些代谢产物的作用与EMT对照相似;此外,乳头状PPAT KO细胞的大多数PPP中间体含量较低,但是磷酸核糖焦磷酸酯(PRPP;图5A)的含量明显较高,它被用于de novo生物合成和挽救途径,由PPP中间体核糖-5-磷酸产生。与对照或APRT KO系相比,乳头状PPAT KO系中的大多数NTPs和dNTPs也减少了(图5B-C),但我们发现嘧啶尿苷三磷酸(UTP)是例外,与对照组和APRT KO相比,乳头状PPAT KO中UTP显著增加(图5B)。这些代谢作用可以用代谢调节原理来解释,PRPP的升高通常会前驱刺激嘌呤和嘧啶的合成。由于嘌呤的新生生物合成受阻,嘧啶的生物合成反而增加,直到UTP水平上升到足够高的水平,以反馈抑制嘧啶的生物合成。嘌呤核苷酸,如AMP,也反馈抑制PRPS(20)。由于乳头状PPAT KO细胞的AMP水平较低(补充表4),这种反馈抑制被消除,使得通过PPP途径的通量增加,产生PRPP,随后PPP中间体消耗。

在EMT PPAT KO细胞中,PPP中间体减少,PRPP增加,NTP和dNTP水平改变均未观察到,这可能是由于EMT亚型的代谢倾向于保留核苷酸。的确,与对照组相比,靶向挽救途径引起了EMT APRT KO细胞的重大代谢改变:大多数核苷酸的水平较高(图5B-C)表明,EMT APRT KO细胞在核苷酸挽救途径受到抑制时,被迫转换为de novo生物合成。在乳头状APRT KO系中,核苷酸水平与对照水平没有显著变化(图5B-C)。综上所述,抑制各亚型的首选核苷酸生物合成途径对核苷酸代谢的影响最大,而抑制非首选途径的影响最小。

4 从葡萄糖到ATP生物合成的13C同位素掺入在靶向新生和挽救基因后发生改变
显示了嘌呤霉素抗性扰乱对照细胞(PSC),从头核苷酸生物合成基因PPAT敲除细胞(PPAT KO)和核苷酸挽救基因APRT敲除细胞(APRT KO)的ATP13C同位素标记百分比。白色框代表ATP的未标记(M-0同位素)比例。浅灰色框代表M-5同位素体,其可以来自de novo或补救途径。深灰色框表示ATPM1-4M6-10)的所有其他同位素异构体的总和,其源自de novo ATP生物合成。数据显示为平均值S.D.N=3*p<0.05)。统计比较列于补充表3中。
 
5 针对每个亚型的首选核苷酸生物合成途径对代谢产物水平影响最大
EMT中的核苷酸挽救基因APRT被敲除,以及乳头状细胞中的新生生物合成基因PPAT被敲除时,与戊糖磷酸途径相关的(A)代谢产物和(B-C)核苷酸的丰度在每个亚型中都发生了最大的改变。相对于每种亚型的嘌呤霉素抗性scramble control (PSC)显示数据,并表示平均值S.D.N=3*p<0.05)。统计比较列于补充表4中。
5. 靶向核苷酸的新生生物合成和挽救性基因以一种亚型特异性的方式影响肿瘤生长

为了确定针对每个亚型的首选核苷酸生物合成途径的体内效果,我们监测了小鼠注射KO和对照细胞株的肿瘤生长。对照组或KO细胞首先注射到同基因小鼠的乳腺脂肪垫中以产生肿瘤,然后切除产生的肿瘤,并将这些肿瘤的片段原位移植到新的小鼠队列中,以监测肿瘤随时间的生长。之所以这样做,是因为植入肿瘤碎片,而不是直接注射肿瘤细胞,导致肿瘤生长滞后时间的变化较小。正如预期的那样,当首选的核苷酸挽救途径基因APRT靶向时,EMT肿瘤增长最慢:植入24天后,EMT APRT KO肿瘤明显小于PPAT KO肿瘤(982.7±116.1 mm2,N = 5),EMT PPAT KO肿瘤的生长也慢于PSC肿瘤(1344.6±141.7mm2,N = 6),在植入后24 d时最大(图6A;补充表5)。与乳头状亚型依赖于de novo核苷酸生物合成相一致,靶向PPAT阻止了乳头状细胞在体内生长肿瘤(图6B;补充表5)。出乎意料的是,在植入后24天,靶向非优选的核苷酸挽救基因APRT导致乳头状肿瘤长大(1161.8±155.8 mm2,N = 5),超过PSC肿瘤(514.0±114.0 mm2,N = 5)。综上所述,这些结果表明,de novo合成核苷酸是乳头状肿瘤的关键代谢途径,进一步证明靶向非首选代谢途径可能会产生促进肿瘤生长的副作用。

为了确定肿瘤大小的差异是否归因于增殖或细胞死亡的变化,我们进行了免疫组化(IHC)分析,我们分别采用Ki67染色和末端脱氧核苷酸转移酶dUTP划痕末端标记(TUNEL)检测肿瘤内的增殖和坏死。如所期望的,Ki67染色与每种亚型中的肿瘤生长成正比;与PPAT KO相比,EMT PSC肿瘤的Ki67+核明显多于两个KO,EMT APRT KO肿瘤的数量明显少于PPAT KO(图7A;补充表6),这表明APRT KO EMT肿瘤因增殖减少而生长缓慢。在乳头状肿瘤中,APRT KO明显比PSC肿瘤具有更多的Ki67+核(图7B;补充表6),显示由于增殖增加,肿瘤生长更快。TUNEL检测显示,在EMT亚型中,两种KOs的坏死程度明显高于对照肿瘤(图7C;补充表7)。在乳头状亚型中,对照和APRT KO肿瘤染色无差异(图7D;补充表7),说明所观察到的肿瘤生长差异并非由于肿瘤坏死的差异。

为了验证单克隆肿瘤生长结果,我们测量了每个亚型附加的、不同克隆系的肿瘤生长(补充图9和10;补充表5)。另外四个乳头状PPAT KO克隆用ATP标记进行了测试,与图4类似,另外还有一个EMT PPAT KO克隆(补充图11;补充表8)。每个亚型的两个额外确认的APRT KO克隆也被注射到小鼠体内进行体内试验(补充图7B)。为了验证对照组的有效性,我们测量了另外一个PSC克隆株和每个亚型的野生型肿瘤的生长情况。植入后24天,EMT亚型的克隆性PSC肿瘤生长相似,且大于EMT野生型肿瘤,表明克隆选择过程可以更具攻击性的克隆;此外,两种EMT PPAT KOs的生长情况相当,而且在大小上也与野生型EMT肿瘤相似;然而,另外两株EMT APRT KO克隆细胞系未能生成肿瘤(补充图9A;补充表5)。对于乳头状亚型,一个APRT KO克隆的生长速度再次快于对照肿瘤,而其余克隆的生长与PSC和野生型乳头状肿瘤相似(补充图9B;补充表5)。与图6结果一致的是,另外4株乳头状PPAT KO克隆细胞系也没有生成肿瘤。综上所述,我们的发现证明了靶向亚型特异性代谢易感性对有效控制肿瘤生长的重要性;此外,抑制非首选的代谢途径不仅不能减少肿瘤生长,还可能产生促进肿瘤生长的不利影响。 

在敲除首选的核苷酸代谢途径后,每个亚型的肿瘤生长都降低了
(A) EMT(B)乳头状肿瘤的体内生长曲线当首选的核苷酸挽救途径基因APRT被靶向(APRT KO)时,EMT的生长速度最慢。EMT PPAT KO肿瘤的生长速度也比嘌呤霉素耐药scramble control (PSC)肿瘤慢。与乳头状亚型依赖于从头核苷酸生物合成相一致,靶向PPAT阻止了乳头状细胞在体内生长肿瘤(PPAT KO)。令人惊讶的是,靶向非首选核苷酸挽救基因APRT导致乳头状肿瘤比PSC肿瘤长得更大。统计比较列于补充表5中。
 
7 免疫组化分析显示生长较慢的肿瘤增殖减少
免疫组化分析(A) EMT(B)乳头状肿瘤中Ki67染色。 EMT嘌呤霉素抗性scramble control(PSC)肿瘤具有比两种KO显着更多的Ki67+细胞核,并且EMT APRT KO肿瘤与PPAT KO相比显着更少,表明APRT KO EMT肿瘤由于增殖减少而生长较慢。在乳头状肿瘤中,APRT-KO具有比PSC肿瘤显着更多的Ki67+细胞核,显示由于增殖增加,这些肿瘤生长更快。(C) EMT(D)乳头状肿瘤的TUNEL检测显示,在EMT亚型中,两种KOs的坏死程度明显高于PSC肿瘤。在乳头状亚型中,在对照和APRT KO肿瘤之间未观察到染色差异,表明观察到的肿瘤生长差异不是由于肿瘤坏死的差异。数据显示为平均值S.D.*p<0.05)。统计比较列于补充表6-7中。 

讨论

在这项研究中,我们使用基因组学和代谢组学技术相结合的方法,来确定来自MMTV-Myc小鼠模型的EMT和乳头状瘤亚型中核苷酸代谢的亚型特异性代谢偏好。我们发现EMT亚型更倾向于核苷酸挽救,而乳头状亚型依赖于核苷酸的新生生物合成。我们还调查了患者的预后,并发现核苷酸挽救基因APRT的高表达与乳腺癌各亚型RFS较差相关,而新生生物合成基因PPAT的高表达与腔内型乳腺癌患者预后较差相关。我们进一步研究了靶向EMT和乳头状细胞亚型中首选和非首选通路的代谢效应,并论证了敲除这些通路对每个亚型体内肿瘤生长的影响。

我们的研究结果表明,在EMT和乳头状肿瘤中,靶向核苷酸生物合成的优先代谢途径均会降低肿瘤生长。我们结果另一个解释是,依赖不同的核苷酸途径可能与肿瘤的基底生长速度有关;然而,我们的发现并不支持这种可能性。由于EMT亚型生长更快,更喜欢核苷酸挽救;然而,通过靶向新生生物合成(PPAT)使乳头状亚型依赖于核苷酸挽救并不能使其生长得更快;同样,靶向救助并不是普遍导致肿瘤生长缓慢:事实上,靶向救助(APRT)导致3个独立乳头状肿瘤中的2个生长更快(补充图9B)。

持续增殖是癌症的标志,而要实现这一目标,癌细胞对核苷酸生物合成有很高的要求。事实上,靶向核苷酸代谢长期以来一直被用作癌症治疗的主要手段,早期的例子包括叶酸类似物甲氨喋呤(MTX)和嘧啶类似物5-氟尿嘧啶(5FU)。MTX抑制二氢叶酸还原酶,阻断一些新生生物合成反应所必需的单碳代谢,5FU抑制胸腺嘧啶合酶,它催化胸腺嘧啶单磷酸的新生生成。其他靶向de novo核苷酸生物合成的化合物,包括6 -巯基嘌呤、来氟米特和布雷喹,目前也被批准或正在研究中。值得注意的是,在我们的模型中,6 -巯基嘌呤的一个活性代谢产物抑制了PPAT,并且能够有效的抑制乳头状亚型的生长;然而,6 -巯基嘌呤和其他一些脱novo核苷酸代谢靶点的化合物,包括5FU和吉西他滨被核苷酸挽救途径激活,下调该途径可能为这些化合物提供潜在的耐药机制。在我们的模型中,与EMT亚型相比,乳头亚型增加了MYC信号通路,并且其对重新核苷酸生物合成的代谢偏好突出了MYC作为核苷酸生物合成的主调节因子的作用。MYC扩增是许多人类癌症的共同特征,15.7%的乳腺癌发生MYC扩增。在TNBC方面,已有研究表明,化疗中使用阿霉素可自适应地上调新生嘧啶的生物合成,联合使用阿霉素和新生嘧啶生物合成抑制剂来氟米特治疗TNBC肿瘤比单独使用阿霉素更有效。MYC信号通路引导的新生嘌呤生物合成上调,也被认为是胶质母细胞瘤的关键代谢途径,在胶质母细胞瘤的体内模型中,靶向新生嘌呤生物合成基因提高生存率和减轻肿瘤负担。这些研究和我们的研究表明,进一步开发以de novo核苷酸生物合成为靶点的化合物将有助于治疗多种类型的癌症。

我们的研究结果表明,靶向核苷酸挽救也能抑制偏爱这一途径的肿瘤生长,如EMT亚型MMTV-Myc肿瘤(图6A)。基于基因表达模式,EMT亚型与人类乳腺癌claudin-low亚型相关,我们需要进行更多的研究来确定核苷酸挽救是否导致claudin-low型乳腺癌的代谢易损性。EMT也与转移有关;然而,我们在本研究中没有观察到转移表现型。MMTV-Myc模型不具有高度转移性,因为肺转移只发生在25%的MMTV-Myc肿瘤中。虽然EMT亚型确实表现出与转移潜能增加相关的基因表达模式,但转移灶并不表现出EMT组织学特征,因此,我们的模型不太适合研究靶向核苷酸代谢对转移的潜在影响;此外,对优先代谢途径的调控并未引起组织学亚型的相互转换。

细胞外空间有丰富的核苷酸和相关代谢产物,具有重要的生物学功能:嘌呤作为信号分子发挥着重要作用,肿瘤相关巨噬细胞释放嘧啶已被证明在胰腺癌动物模型中介导吉西他滨耐药;因此,这些代谢产物的吸收和利用应作为治疗靶点进一步研究,但是,目前针对核苷酸回收的药物非常少。挽救性抑制剂的两个间接例子是双拉西普和双嘧达莫,这些化合物通过抑制平衡核苷转运体(ENTs)发挥作用,具有血管扩张剂的功能,防止血小板聚集,目前已被批准用于治疗心血管疾病;ENT抑制通过阻止核苷和核碱的吸收,间接阻断了核苷挽救途径;此外,ENT还可以调节吉西他滨等核苷类似物的摄取,这意味着ENT抑制作为阻断核苷酸挽救的手段并不适用于这些药物的联合治疗。这对于诊断为claudin-low型乳腺癌的患者尤其有益,因为其预后较差,没有针对性的治疗方法。

我们研究的一个局限性是我们只能在体外评估靶向这些途径的代谢作用,这一点值得考虑,因为体外鉴定的代谢特征并不总能在体内转化;然而,在体内无法评估靶向PPAT在乳头状亚型肿瘤中的代谢作用,因为这些品系不会产生肿瘤,因此我们只能在体外考虑这些代谢作用。这一缺陷并不影响我们最终的研究结果,即每个亚型的肿瘤生长都通过靶向其在体内核苷酸代谢的首选途径而最大程度地降低,这与我们之前详细介绍EMT和乳头状亚型的嘌呤和嘧啶核苷酸中的13C-葡萄糖和13C-谷氨酰胺标记模式的工作一致。我们的结果进一步揭示了靶向非首选通路可导致肿瘤生长增加的可能性,具体来说,当APRT靶向乳头状亚型时,三个克隆中的两个克隆的肿瘤生长速度惊人,而其余克隆的生长速度与对照肿瘤相当(图6和补充图9和10)。在我们目前的研究中,我们使用的肿瘤和细胞系来自组织学纯净的样本;然而,这并不总是发生在自发性肿瘤中,特别是MMTV-Myc小鼠模型,自发性肿瘤具有多种组织学,包括在一个区域内由多种亚型组成的混合肿瘤。如果一个混合肿瘤由EMT和一个微小的乳头状成分组成,我们单独通过抑制核苷酸挽救来治疗这种混合肿瘤可能对其中的乳头状成分无效,甚至可能有增加肿瘤乳头状部分生长的意外副作用。

这一发现的含义是,对于同时存在EMT和乳头状组织的混合肿瘤,靶向de novo生物合成可能更安全,而不是挽救途径,因为虽然EMT亚型细胞更喜欢挽救途径,但阻断de novo生物合成对肿瘤生长仍有较小的抑制作用(图6A),另一方面,阻断乳头状亚型细胞的挽救途径可能会对肿瘤生长产生相反的促进作用(图6B )。

在人类乳腺癌中,瘤内异质性可以通过多种方式表现出来,包括形态学和基因组水平。在考虑生物标志物的表达时,这种异质性的重要性尤其显著,例如,目前的建议报告,如果至少1%的肿瘤细胞对雌激素受体(ER)是阳性的。由于ER阳性程度也与抗内分泌治疗后的患者预后直接相关,很明显,这个生物标志物的肿瘤内异质性具有重要的临床意义。根据我们目前的研究结果,代谢缺陷可以用来设计新的治疗乳腺癌亚型,但是,也应进一步考虑通过不适当地靶向代谢而不经意刺激肿瘤生长的可能性,特别是认识到乳腺癌的显著异质性。研究者还应进一步开展工作,以确定已知具有不同代谢特征的人类乳腺癌亚型在代谢缺陷方面是否存在差异,以及针对非预设途径是否有害。

总之,我们的研究结果表明,不同的组织学亚型乳腺癌在其首选核苷酸生物合成途径方面表现出不同的代谢脆弱性,抑制首选途径极大地影响新陈代谢和体内肿瘤生长;我们还发现靶向非首选通路不仅在控制肿瘤生长方面效果较差,而且可能在促进肿瘤生长方面产生相反的效果。我们的研究结果阐明了不同乳腺癌亚型的不同代谢偏好,以便为每个亚型设计有效的靶向治疗。

原文链接:
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33115804/
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