抑制电子传递链增加细胞对嘌呤运输和回收的依赖性

研究背景

电子传递链（ETC）是线粒体中负责能量生成的关键机制，其在细胞维持稳态和生长过程中扮演重要角色。然而，当ETC功能受损时，细胞如何调整代谢以应对这一变化尚不完全清楚。癌症细胞和先天性代谢缺陷疾病（IEMs）中的突变导致的代谢紊乱非常普遍，这些突变涉及多个代谢途径如糖酵解、氨基酸氧化和尿素循环。这些病理机制在癌症和IEMs之间存在共通点，通过研究其中的代谢重塑，可能为理解跨领域的病理机制提供新的见解。

研究源与作者

本文发表于《Cell Metabolism》，由Zheng Wu和团队成员Divya Bezwada、Feng Cai、Robert C. Harris等人共同撰写，作者分别来自德克萨斯大学西南医学中心、芝加哥大学等研究机构。文章于2024年7月2日发表。

研究目的与问题

研究目的在于探究人类细胞在ETC功能障碍时的代谢响应，尤其是嘌呤代谢的变化。ETC缺陷是否会引起细胞从嘌呤新生合成转向嘌呤回收，并揭示这种代谢重编程是否能提供肿瘤的新型疗法靶点。

研究方法

研究流程

1. 代谢组学分析：研究人员使用代谢组学方法，分析来自患有各种线粒体疾病的患者成纤维细胞和ETC被阻断的癌细胞。
2. 稳定同位素追踪实验：通过使用稳定同位素追踪技术，验证ETC缺陷对嘌呤合成途径的影响。
3. 分子生化实验：检测ETC缺陷细胞中各种代谢物的水平，以及嘌呤合成相关酶与培养基中嘌呤前体的关系。
4. 基因敲除实验：使用基因敲除技术，研究嘌呤回收酶HPRT1在ETC功能障碍中的作用。
5. 小鼠模型实验：在小鼠体内验证药物对嘌呤代谢的影响。

具体实验步骤

1. 代谢组学和同位素追踪实验：使用来自ETC功能障碍患者的成纤维细胞，分析嘌呤代谢物质水平。接着，通过稳定同位素（如13C-标记的葡萄糖和15N-标记的谷氨酰胺）追踪细胞中嘌呤合成路径的变化。

2. 药物处理和细胞实验：使用IACS-010759抑制剂处理人类非小细胞肺癌（NSCLC）细胞H460，观察嘌呤合成变化及细胞生长情况。

3. 基因敲除实验：通过敲除HPRT1基因，研究ETC缺陷细胞对嘌呤回收的依赖性，及其在加药处理后的细胞生长表现。

4. 小鼠体内实验：在小鼠体内将H460细胞移植，并使用IACS-010759处理，检测嘌呤代谢物在俘获的肿瘤中的变化。

特殊算法与工具

1. 代谢组学分析：使用Metabolite Set Enrichment Analysis（MSEA），分析特定代谢物通路的扰动。
2. 稳定同位素追踪：基于质谱仪分析标记同位素在代谢物中的分布，量化路径转换。
3. 生物信息学工具：使用癌症依赖性图谱（DepMap）分析嘌呤代谢相关基因的共同重要性。

研究结果

主结果

1. ETC缺陷抑制嘌呤新生合成：实验发现，ETC功能障碍导致嘌呤新生合成途径受阻，显著减少嘌呤互变异构体的丰度。
2. 嘌呤代谢重新编程：在ETC抑制的情况下，嘌呤回收酶HPRT1的表达增加，增加了回收途径中嘌呤单磷酸盐（如IMP）等代谢物的丰度。
3. 嘌呤回收对细胞生长的支持作用：研究发现通过导入HPRT1抑制的细胞、维持细胞中NAD+/NADH的平衡和补充中间代谢物等措施，可以显著缓解ETC抑制引起的生长抑制。
4. 嘌呤回收对于体内肿瘤生长的贡献：小鼠实验显示，抑制嘌呤回收酶（如HPRT1）的表达可以显著减少肿瘤在体内的生长，特别是ETC功能受损时这一现象更加显著。

数据支持

各实验中，代谢物浓度和同位素标记分布的数据均通过高分辨质谱技术获得，并使用恰当的统计方法进行验证，如两侧非配对T检验、两侧单因素方差分析等。

研究结论

主要结论与意义

ETC功能障碍会减少细胞进行嘌呤新生合成的能力，迫使细胞依赖嘌呤回收途径来维持代谢需求。这种代谢重编程对癌细胞的生长具有关键意义，特别是在存在低氧环境或线粒体功能受损的情况下。这项研究不仅揭示了一个新的肿瘤代谢脆弱性，也提示HPRT1和相关代谢途径可能成为未来癌症治疗的重要靶点。

研究亮点

1. 发现了ETC缺陷导致的嘌呤代谢重编程现象，这一现象揭示了细胞应对代谢压力的机制。
2. 揭示了HPRT1在ETC抑制情况下的重要性，提供了新的癌症治疗潜在靶点。
3. 结合多种技术分析嘌呤代谢路径的变化，实现了对代谢重编程的全面理解。
4. 小鼠模型的体内验证进一步增强了研究结果的可靠性，为临床治疗策略提供支持。

其他重要信息

此研究为未来探索ETC功能障碍在不同病理情况下的代谢应对提供了强有力的科学依据，并呼吁学术界和医药行业重视嘌呤代谢过程中的细胞适应机制，开发相应的治疗方式。如本文所述，ETC抑制剂如IACS-010759在临床试验中表现出嘌呤代谢物增加的现象，这进一步佐证了研究结果的临床相关性。