“癌症之王”治疗新靶点！天津医科大学发现代谢应激下胰腺癌细胞存活的关键基因

胰腺癌是最致命的常见肿瘤之一，由于症状隐匿不典型，且治疗靶点有限，患者5年生存率不足10%。全球范围内，因癌死亡的每25人就有1人是死于胰腺癌。胰腺癌在人类的诸多肿瘤中，虽发病率位居第14位，但死亡率却高达第7位[1]，因此也被称为“癌症之王”。

胰腺丨图源图虫创意

肿瘤细胞具有独特的能量代谢方式，不利用线粒体氧化磷酸化产能，而依赖有氧糖酵解（Warburg效应）来满足恶性增殖的能量需求[2]。越来越多的研究证实，肿瘤的有氧糖酵解途径可能是肿瘤治疗的潜在靶点。

近日，天津医科大学肿瘤医院胰腺肿瘤外科的郝继辉教授，结合生信与临床，发掘一个新的胰腺癌促癌基因BZW1；探究机制，发现BZW1通过诱导eIF2a磷酸化增强有氧糖酵解，进而促进胰腺癌细胞抵抗代谢应激实现存活和增殖，探索治疗，证明BZW1可作为胰腺癌治疗新的靶点和生物标志物。相关论文发表在消化病学顶级期刊Gastroenterology上[3]。

论文首页截图

为了寻找胰腺癌潜在的致癌基因，研究人员首先对公共数据库进行生物信息学分析，获取在胰腺癌组织高表达且与预后负相关的候选基因，然后过滤与细胞生长无关的基因，再结合胰腺癌细胞株转录组数据对基因进行排序，最后得到3个候选基因GAPDH、LDHA和BZW1。GAPDH和LDHA是糖酵解过程中的关键酶，其促癌效应在包括胰腺癌在内的诸多癌症中已被广泛探讨，而BZW1在胰腺癌中的作用尚未研究。因此，研究人员选择对BZW1进行分析。

胰腺癌免疫组化显示，和在癌旁组织中的表达相比，BZW1在肿瘤组织中过度表达；细胞株表达与临床样本表达一致，相比于在胰腺正常的上皮细胞，BZW1在胰腺癌细胞株中的表达也大大升高。

此外，BZW1的表达与胰腺癌的瘤体大小、肿瘤分期和淋巴结转移呈正相关。多变量分析显示，BZW1还是胰腺癌的一个独立预后因素。这些结果表明，BZW1在胰腺癌中过度表达，对患者的生存不利，是胰腺癌的一个促癌基因。

A：生信筛选流程；C：胰腺癌(T)和癌旁组织(NT)的BZW1表达热图；E：BZW1的表达与胰腺癌的预后（总生存期OS和无病生存期DFS）负相关；F：BZW1和胰腺癌瘤体大小相关

由于BZW1与胰腺癌瘤体大小有关，研究人员推测BZW1能影响胰腺癌细胞的生长，对此进行了一系列实验。在细胞实验中，研究人员模拟胰腺癌代谢应激，对细胞进行低氧低糖刺激，发现敲除BZW1能增加胰腺癌细胞的凋亡，降低细胞活力和增殖能力，而过表达BZW1则显示相反的结果。在动物实验中，沉默BZW1能显著减少胰腺癌的瘤体体积，并延长胰腺癌小鼠的生存期。

为了更精确地评估BZW1在胰腺癌中的功能，研究人员还进行了类器官实验，验证了BZW1对胰腺癌细胞的影响。以上多层次的实验证明，BZW1促进胰腺癌细胞在代谢应激条件下的存活和增殖。

BZW1影响胰腺癌细胞的凋亡（A）、活力和增殖（C和D），胰腺癌小鼠的瘤体大小（E）和生存期（H），以及胰腺癌类器官的生长（I）

基因通路富集分析显示，BZW1影响与糖酵解高度相关的缺氧和Myc途径。基因表达分析证实，BZW1与大多数糖酵解酶呈表达正相关。敲除BZW1能明显抑制胰腺癌细胞的葡萄糖摄取和乳酸排泄能力，减少糖酵解代谢物的生成；而过表达BZW1则会促进这些变化。这表明，BZW1能调节胰腺癌细胞的有氧糖酵解。

为了确定BZW1对胰腺癌的作用是否取决于有氧糖酵解，研究人员把胰腺癌细胞的能量来源由葡萄糖更换为半乳糖，迫使胰腺癌细胞放弃有氧糖酵解。再予以敲减BZW1处理，则胰腺癌细胞的凋亡没有增加。

由此可见，BZW1对胰腺癌细胞在代谢压力下存活的促进作用，是通过调节糖酵解来实现的。

在胰腺癌细胞内，B：RT-PCR检测BZW1与大多数糖酵解酶呈表达正相关；D：质谱分析表明BZW1能影响有氧糖酵解关键酶；E和F：能量来源由葡萄糖更换为半乳糖后，同时低氧处理胰腺癌细胞，敲减BZW1丧失对胰腺癌细胞的促凋亡作用

由于有氧糖酵解受到HIF1a和c-Myc等基因调控，研究人员对这些基因进行了检测。蛋白印迹和免疫组化发现，在胰腺癌细胞中，敲除BZW1能明显减少，而BZW1过表达则明显增加HIF1a和c-Myc蛋白水平。另外，过表达HIF1a或c-Myc可以显著恢复敲除BZW1对胰腺癌细胞的糖酵解、存活和增殖的影响。这表明，BZW1是通过HIF1a和c-Myc来促进胰腺癌细胞有氧糖酵解和抵抗代谢应激。

接着，研究人员探讨了BZW1调节HIF1a和c-Myc表达的机制。HIF1a和Myc的mRNA水平在BZW1过表达或敲除后没有变化，提示BZW1对它们进行了转录后调节，同时，BZW1也没有改变HIF1a和c-Myc蛋白的降解，表明BZW1影响了HIF1a和c-Myc的翻译。多聚核糖体分析技术分析HIF1a和c-Myc处在翻译过程中的mRNA，发现敲除BZW1后，HIF1a和c-Myc的mRNA翻译水平明显下降，而过表达BZW1则上调翻译水平。这些结果表明，BZW1促进HIF1a和c-Myc的翻译。

蛋白印迹（A）和免疫组化（B）发现BZW1调节HIF1a和c-Myc表达；D：BZW1不影响HIF1a和c-Myc在mRNA水平的表达；F和G：BZW1促进HIF1a和c-Myc的翻译

eIF2a是调节蛋白翻译的关键分子[4]，在应激条件下磷酸化程度增加，对HIF1a和c-Myc等基因的mRNA的翻译能力增强。据此，研究人员推断BZW1对HIF1a和c-Myc翻译的调控可能是通过促进eIF2a磷酸化来实现的。研究人员敲除胰腺癌细胞的BZW1，发现eIF2a磷酸化程度显著下降，免疫组化也证实BZW1的表达与eIF2a的磷酸化存在协同关系。免疫共沉淀实验证明，在胰腺癌细胞中，BZW1与eIF2a存在结合。

由于BZW1本身并非激酶，研究人员推测BZW1可能参与了eIF2a激酶或磷酸酶与eIF2a的相互作用。免疫沉淀与质谱分析，发现PERK[5]，一种eIF2a激酶，是BZW1的一个互作蛋白。进一步的实验发现，PERK能与BZW1和eIF2a在胰腺癌细胞中形成复合物。同时，BZW1在体外能直接促进eIF2a和PERK的相互作用。这些结果表明，BZW1通过发挥支架功能促进eIF2a和PERK互作而间接调节eIF2a磷酸化。

最后，研究人员对BZW1-PERK-eIF2a复合物在胰腺癌中的治疗潜力进行了探索。PERK-eIF2a抑制剂处理胰腺癌小鼠，肿瘤负担明显降低，生存时间显著延长。PERK-eIF2a抑制剂处理胰腺癌类器官，BZW1高表达组反应表现更敏感。把类器官移植到裸鼠体内，用抑制剂治疗荷瘤小鼠，BZW1高表达组的肿瘤抑制率也明显高于BZW1低表达组。靶向BZW1-PERK-eIF2a通路能显著抑制胰腺癌的生长和增殖，而BZW1可以预测抑制剂的治疗效率和潜在的获益患者。

A：BZW1与eIF2a存在结合；B：BZW1和PERK与磷酸化的eIF2a在细胞内形成复合体；PERK-eIF2a抑制剂（GSK）能抑制胰腺癌类器官生长（C），减少胰腺癌小鼠的瘤体体积（I），延长生存期（K）

综上所述，郝继辉教授团队通过一系列实验，发现BZW1是“癌王”胰腺癌细胞依靠有氧糖酵解抵抗代谢应激的关键基因，既可作为胰腺癌治疗的靶点，也可作为通路抑制剂治疗的生物标志物，有望为胰腺癌当前棘手的治疗现状打开新的局面。

作者：陈嫩草

来源：临床前线

参考资料

[1] Hanahan D, Weinberg RA. Hallmarks of cancer: the next generation. Cell. 2011;144(5):646-674. doi:10.1016/j.cell.2011.02.013

[2] Sung H, Ferlay J, Siegel RL, et al. Global Cancer Statistics 2020: GLOBOCAN Estimates of Incidence and Mortality Worldwide for 36 Cancers in 185 Countries. CA Cancer J Clin. 2021;71(3):209-249. doi:10.3322/caac.21660

[3] Li Z, Ge Y, Dong J, et al. BZW1 Facilitates Glycolysis and Promotes Tumor Growth in Pancreatic Ductal Adenocarcinoma Through Potentiating eIF2α Phosphorylation. Gastroenterology. 2022;162(4):1256-1271.e14. doi:10.1053/j.gastro.2021.12.249

[4] Baird TD, Wek RC. Eukaryotic initiation factor 2 phosphorylation and translational control in metabolism. Adv Nutr. 2012;3(3):307-321. Published 2012 May 1. doi:10.3945/an.112.002113

[5] Marciniak SJ, Garcia-Bonilla L, Hu J, Harding HP, Ron D. Activation-dependent substrate recruitment by the eukaryotic translation initiation factor 2 kinase PERK. J Cell Biol. 2006;172(2):201-209. doi:10.1083/jcb.200508099

打赏