突破！江南大学附属医院黄朝晖团队：揭示苹果酸酶2琥珀酰化调控结直肠癌发展的新机制

2023-11-30

临床结果siRNA临床2期

撰文：Penn Teng 导读：苹果酸酶2（malic enzyme 2, ME2）是一种定位于线粒体的代谢酶，催化苹果酸氧化脱羧生成丙酮酸，并伴随产生NADPH。近年来，研究揭示ME2在肿瘤中异常高表达，是癌症治疗的潜在靶点，但其背后的活性调控机制尚未阐明。近日，江南大学附属医院黄朝晖、李超群共同通讯在期刊《 Cell Death & Differentiation 》（IF:12.4）上发表题为“SIRT5-mediated ME2 desuccinylation promotes cancer growth by enhancing mitochondrial respiration”的研究成果。该研究发现，ME2存在琥珀酰化修饰，去琥珀酰化酶SIRT5与ME2相互作用，介导ME2 K346去琥珀酰化并使活性增强。另外，谷氨酰胺饥饿能显著增强ME2与SIRT5互作，提高ME2活性。激活的ME2通过增强线粒体呼吸和维持氧化还原稳态，促进结直肠癌细胞增殖。该研究揭示了ME2的酶活调控机制，并提示靶向ME2 K346位点的琥珀酰化修饰具有潜在的治疗价值。 https://www-nature-com.libproxy1.nus.edu.sg/articles/s41418-023-01240-y 研究背景 01 代谢重编程是癌症的一个重要标志。虽然有氧糖酵解是肿瘤细胞主要的产能方式，但是也有研究发现，氧化磷酸化（OXPHOS）对于肿瘤细胞增殖同样具有重要意义；肿瘤细胞自身可通过糖酵解和OXPHOS之间的转换来适应代谢环境的改变。增强的线粒体代谢对于癌细胞的氧化还原维持、生物合成和能量产生至关重要。OXPHOS是发生在真核细胞线粒体内膜（或原核细胞的细胞质）中的一个生化代谢过程，也是线粒体代谢产生能量的关键过程。一些与OXPHOS相关的酶在人类癌症表达增加。然而这些酶是如何被调节的尚知之甚少。此外，肿瘤微环境中的营养物质具有匮乏性和波动性的特点，尽管线粒体代谢已被报道有助于肿瘤细胞适应营养缺乏的微环境，但癌细胞如何感知营养物水平并通过线粒体酶协调营养信号与代谢通量的分子机制尚未完全阐明。苹果酸酶（Malic enzymes, MEs）以NAD(P)+为辅酶，催化苹果酸氧化脱羧生成丙酮酸和NAD(P)H。在哺乳动物细胞中，MEs有三种亚型，包括定位在细胞质的ME1和定位在线粒体的ME2和ME3。已有的研究表明，ME2能够调节三羧酸循环通量，显著增强癌细胞中的谷氨酰胺代谢和脂代谢，从而满足其生长和增殖需求。近年来，已经确定ME2在多种癌症中异常表达，并促进癌症进展，但ME2活性的内在调控机制却尚不清楚。研究进展 02 为了揭示ME2在肿瘤细胞中的调控机制，作者团队首先通过质谱分析以确定ME2潜在的相互作用蛋白，并鉴定到去琥珀酰化酶SIRT5。接着作者证明了ME2与SIRT5存在线粒体共定位和内源互作。已有报道，SIRT5作为多种代谢酶的去琥珀酰化酶，参与肿瘤进展。于是作者推测ME2可能也存在琥珀酰化修饰，并鉴定到K346位为其主要的乙酰化修饰位点。有意思的是，肿瘤微环境中谷氨酰胺的缺乏能够增强SIRT5与ME2的相互作用，促进SIRT5介导的ME2去琥珀酰化。这些结果表明， ME2存在受SIRT5调控的琥珀酰化修饰，此外，SIRT5和ME2的结合能够对环境中谷氨酰胺的水平做出响应。 SIRT5去琥珀酰化修饰ME2 作者进一步通过质谱鉴定到ME2关键的琥珀酰化修饰位点K346，并明确了ME2 K346位点的琥珀酰化修饰抑制其催化活性；而K346位点去修饰则增强其活性。接着作者通过ME2 K346位点突变前后的结构模拟分析，发现K346位点位于L-苹果酸(底物)和NAD+(辅酶)进入的关键通道前面，带正电的氨基酸能够使酸性底物更容易进入活性口袋。ME2 K346R（模拟去琥珀酰化）将周围环境变成了带正电，从而增强了ME2与NAD+及L-苹果酸的结合能力，而ME2 K346E(模拟琥珀酰化)由于周围环境带负电，阻止了其与NAD+和L-苹果酸的结合。进一步的酶活动力学实验也验证了上述结论。 ME2 K346去琥珀酰化修饰增强ME2的催化活性研究结论 03 总之，在这项研究中，研究团队证明了SIRT5介导ME2 K346去琥珀酰使其活性提高，从而增强线粒体呼吸并维持氧化还原稳态，促进肿瘤细胞的存活和增殖。基于结直肠癌临床样本的分析结果也提示ME2 K346的琥珀酰化修饰具有潜在的临床应用价值。此外，这项研究也拓展了对癌细胞感知微环境营养水平并通过代谢酶协调营养信号与代谢通量的认识，并提示靶向ME2 K346位点是一种有前景的结直肠癌治疗策略。参考资料： https://www-thelancet-com.libproxy1.nus.edu.sg/journals/eclinm/article/PIIS2589-5370(23)00448-0/fulltext?__cf_chl_rt_tk=9SZlCYGUxbUQJqC9OEHuY5lc8oPrRtp0xv9e3sn1EMI-1700702939-0-gaNycGzNElA 注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。热门·直播/活动 🕓 北京｜12月19日-20日 ▶第四届单细胞测序技术应用研讨会暨单细胞&空间组学研讨会（日程稍后公布）点击对应文字查看详情