保持年轻,从细胞开始:这种新发现的酶,能阻止细胞衰老,还有望开辟抗癌新疗法

2021
09/22

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生物世界
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撰文 | 库珀
编审 | 寇建超
排版 | 李雪薇

细胞衰老 是指一种稳定的细胞生长阻滞状态,并伴有形态、生化及表观遗传的改变,肿瘤组织恶变前常可检测到衰老细胞的存在。

长期以来,许多科学家认为细胞衰老对抑制潜在癌细胞增殖具有重要作用,但目前也有研究认为,除了抑制肿瘤发生,细胞衰老也可能会促进肿瘤的演进,细胞衰老其实发挥了双刃剑作用。

因此,深入了解衰老与肿瘤的关系,利用细胞衰老机制对肿瘤的抑制作用,可为肿瘤的治疗提供新途径

2021 年 9 月 17 日,加拿大蒙特利尔大学和麦吉尔大学的研究人员合作在 Cell 子刊 Molecular Cell 上发表了题为:
A hydride transfer complex reprograms NAD metabolism and bypasses senescence  的研究论文。

该研究证实了一种叫做 HTC (氢化物转移复合物) 的酶复合物可以抑制细胞衰老,这项研究或为癌症新疗法开辟一条新道路。

图|HTC 的作用机制

最有趣的是,这些酶的抑制阻止了前列腺癌细胞的生长,这表明 HTC 可能是开发包括前列腺癌在内的多种癌症新疗法的关键靶点。 HTC 可以被某些癌细胞劫持,以改善其代谢,抵抗缺氧环境并增殖。” 蒙特利尔大学生物化学教授、蒙特利尔大学医院研究中心 (CRCHUM) 首席科学家、论文通讯作者之一 Gerardo Ferbeyre 说道。

HTC 发挥作用的原理

细胞衰老是一种广泛作用的肿瘤抑制机制,其中携带致癌突变的细胞由于线粒体功能障碍、氧化应激、DNA 损伤和肿瘤抑制因子激活的慢性状态而不能扩展。线粒体功能失调是新生细胞对短端粒或癌基因反应的一个标志。

线粒体功能障碍相关衰老的特征是 NAD+ (烟酰胺腺嘌呤二核苷酸,一种转递质子的辅酶,它出现在细胞很多代谢反应中,NAD 的氧化形式) /NADH (NAD 的还原形式) 减少,活性氧 (ROS) 增加。因此,了解癌细胞如何克服衰老特征的细胞增殖障碍 (包括线粒体功能障碍) 很重要。

衰老细胞线粒体功能障碍的起源尚不清楚。
在癌基因诱导的衰老 (OIS) 过程中,一些蛋白质的降解影响细胞增殖所需的各种过程。其中一种蛋白质是信号转导和转录激活因子 3 (STAT3) ,它调节细胞核中的转录以及线粒体中的电子传递和氧化磷酸化。

STAT3 的线粒体功能是致癌 RAS 蛋白进行细胞转化所必需的。造血干细胞中 STAT3 的缺失导致线粒体功能障碍、ROS 的过度产生和血细胞的早衰。
这些研究表明,STAT3 的线粒体功能可能是防止衰老所必需的。

图|p53 失活重组线粒体功能障碍的衰老细胞代谢

为了发现弥补线粒体功能障碍的细胞途径并使肿瘤细胞避免衰老,研究人员使用了几种细胞衰老模型。研究结果发现,STAT3 缺失诱导的衰老需要 NAD+/NADH 比率降低,这是由 p53 和视网膜母细胞瘤蛋白 (RB) 肿瘤抑制剂的作用维持的。

p53 和 RB 抑制一种酶复合物,该酶复合物催化代谢循环,将氢化物阴离子从 NADH 转移到 NADP+,从而再生 NAD+ 并供应 NADPH,经分析,这种氢化物转移复合物
(HTC) 由苹果酸酶1 (ME1) 、苹果酸脱氢酶1 (MDH1) 和丙酮酸羧化酶 (PC) 组成,可在体外与纯蛋白质组装。

引人注目的是,
即使在缺乏 p53 的情况下,抑制 HTC 也会导致肿瘤细胞衰老,揭示了靶向这种新的代谢物的治疗潜力。

一些关键发现

STAT3 的缺失导致衰老、线粒体功能障碍和低 NAD+/NADH 比率。 研究表明,线粒体功能失调和 NAD+/NADH 比率低的细胞无法合成足够的天冬酰胺和天冬氨酸,但补充 STAT3 缺失细胞 20 mM天冬氨酸只能适度挽救 STAT3 缺失后的增殖缺陷和衰老,并且 NAD+/NADH 比率没有正常化总之,这些数据表明 NADH 再氧化失败与细胞衰老的诱导有关。

研究人员还发现,p53-RB 抑癌基因控制着 NAD+ 再生代谢周期。 STAT3 的缺失导致 p53 和 RB 肿瘤抑制通路的激活,这两种通路都是衰老的介质。p53 或 p21 的失活阻止了 STAT3 缺失引起的生长停滞和衰老,有趣的是,p53 失活也恢复了 STAT3 缺失细胞的 NAD+/NADH 比率。总的来说,结果表明 STAT3 缺失细胞中的 p53 或 p21/RB 途径失活增加了 NAD+/NADH 比率,以维持绕过衰老的细胞的氧化代谢。

图|催化氢化物转移反应的酶的共定位和相互作用

那么,HTC 的生物化学和生物物理特性是怎样的? 为了确定 HTC 酶共免疫沉淀所需的区域,研究人员使用了一系列缺失突变体,除了全长 PC 外,还确定来自位置 430–1178 和 1–956 的片段与 MDH1 和 ME1 形成复合物,并绘制了与 PC 和 ME1 共免疫沉淀所需的 MDH1 区域。

研究数据显示,
HTC 酶导致 STAT3 缺失细胞的代谢重编程,以恢复 NAD+ 水平并增加 NADPH,这与抑制衰老表型平行 。此外,HTC 过度表达细胞中的丙酮酸优先通过 PC 转化为 OAA,随后通过 MDH1 补充 TCA 循环 (三羧酸循环,是需氧生物体内普遍存在的代谢途径) 和 NAD+ 再生。总之,这些结果表明 HTC 过度表达细胞的代谢程序与在 p53 失能细胞中观察到的代谢程序相当,HTC 酶在催化 NAD+ 再生和 NADPH 生成的复合物中起重要作用,以减少氧化应激和绕过衰老。

图|抑制 HTC 会引发衰老

HTC 酶对于防止细胞衰老至关重要 。在小鼠胚胎成纤维细胞 (MEF) 中, HTC 酶的表达与致癌 RAS 的结合阻止了衰老,允许集落形成,诱导小鼠肿瘤形成。

此外, 研究人员还发现 HTC 酶在前列腺癌中的高度表达 。HTC 酶 的高表达可能允许前列腺上皮细胞覆盖 STAT3 消融引起的衰老,在 60% 以上的人类前列腺腺癌中,每种 HTC 酶的染色强度都很高,但在正常前列腺或前列腺增生症 (BPH) 患者中的染色强度较低。总之,这些结果表明 HTC 酶在前列腺癌中起着关键作用,HTC 可能有助于在缺氧条件下生长的细胞中观察到的衰老旁路。

有望开发出新型抗癌药物

整体而言, 研究人员证明了继发于线粒体功能障碍的 NAD 代谢改变可以通过先前未被识别的代谢循环来补偿,复合物中每种酶的活性中心的接近可能通过每种底物的扩散或通道化加速代谢通量。

各项研究数据表明,HTC 通过绕过或促进逃避细胞衰老而在肿瘤形成中发挥作用。HTC 酶的表达足以使原代小鼠成纤维细胞与致癌 RAS 协同转化,因此在功能上相当于 p53 的缺失,由于 HTC 酶被 p53 抑制,研究进一步证明,控制代谢是 p53 的主要肿瘤抑制功能。

HTC 提供两种转化功能:依赖 NAD+ 再生的永生化和依赖 NADPH 生成的抗氧化活性。这些功能对于缺氧条件下的细胞存活或在乳酸中生长的不能利用 LDH
(乳酸脱氢酶) 反应再生 NAD+ 的细胞也很重要。HTC 酶在包括小鳞状肺癌和前列腺癌在内的几种癌症中的表达呈正相关,因此, 靶向 HTC 可用于开发新型的抗癌治疗方案。

来源:Pixabay

这项研究也有一些局限性,研究人员表示,p53 失活后 PC 重新定位到胞浆的机制仍然未知。尽管研究人员能够在体外显示 HTC 形成的证据,但复杂的组装效率相对较低,这表明重组蛋白可能缺乏有助于稳定 HTC 复合物的翻译后修饰。

研究人员提供的证据表明 PC、MDH1 和 ME1 是 HTC 复合物的核心,但却无法估计它们的精确化学计量比。重要的是,至少有一些 HTC 包含在大于 1 MDa 的复合物中,这表明可能还存在其他成分。

虽然回答上述问题需要进一步探究,但现有发现丰富了肿瘤细胞劫持特定代谢途径的概念,这些代谢途径支持增殖和合成代谢反应,同时保护氧化应激 相关研究工作的下一步将是生成酶复合物的详细高分辨率结构,以便设计能够调节其功能的药物。

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

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关键词:
STAT3,HTC,线粒体,复合物,细胞,功能,代谢

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