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          呂志民團隊《Science advances》發文:揭示肝癌細胞代謝特徵

          發佈日期:2019年04月26日 10:13:52 來源:轉化醫學研究院
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            424日  ,國際學術期刊Science advances(《科學進展》)在線發表了呂志民團隊的最新研究成果“The protein kinase activity of fructokinase A specifies the antioxidant responses of tumor cells by phosphorylating p62”。該研究發現,果糖激酶(KHK)基因異常的選擇性剪接  ,會導致正常肝細胞與肝癌細胞對氧化應激響應的差異和清除活性氧(ROS)能力的不同。肝癌細胞中特異表達的果糖激酶KHK-A,可以響應氧化應激信號進而發揮蛋白激酶功能,磷酸化自噬受體p62並促進其寡聚化,最終通過激活Keap1-Nrf2 信號通路促進肝癌細胞在氧化壓力條件下的存活 。

            腫瘤細胞的代謝重編程往往導致其產生過多的ROS並處於氧化應激狀態。由於ROS自身具有很強的氧化活性, 能夠和細胞內的生物大分子如核酸、磷脂和蛋白質等反應產生細胞毒性,因此 ,細胞內累積的ROS如果不能及時清除,則會引起細胞的損傷甚至死亡 。Nrf2是目前已知的調節體內氧化應激 ,進行自我保護的最重要轉錄因子之一。在氧化應激條件下 ,Nrf2可以進入細胞核並促進一系列細胞保護因子的轉錄,從而保護細胞免於ROS積累導致的細胞死亡。Keap1是Cullin3 E3泛素連接酶複合物的底物銜接蛋白,也是Nrf2在胞漿中的結合蛋白,能抑制Nrf2活性,促進Nrf2泛素化並被蛋白酶體降解。然而,腫瘤細胞和正常細胞對於氧化應激響應的不同以及ROS清除調控機制的差異目前還不明確。

          呂志民研究團隊證實  ,在相同的氧化應激刺激條件下(低氧等) ,肝癌細胞的ROS累積及其誘導的細胞死亡顯著低於正常肝細胞,同時,肝癌細胞生成了更多的參與抗氧化的還原劑 ,如NADPH、GSH等。這提示肝癌細胞可能具有區別於正常細胞的特有的抗氧化防禦體系,以維持其在氧化應激條件下的存活。呂志民研究團隊之前發現 (Nature Cell Biology, 2016) ,相比於正常肝細胞,肝癌細胞中的果糖代謝水平明顯降低。果糖激酶(KHK)基因異常的選擇性剪接 ,會造成其在正常肝組織及肝腫瘤中的差異性表達 ,即肝癌細胞主要表達喪失了加工果糖能力的KHK-A;相反地 ,正常肝細胞主要表達的KHK-C則具有較高的果糖代謝酶活性。那麼正常肝細胞和肝癌細胞對果糖利用的差異是否與它們清除活性氧(ROS)能力的不同存在潛在的聯繫呢 ?該研究團隊驚奇地發現,KHK-A, 而不是KHK-C,對於肝癌細胞清除ROS和抵抗氧化應激是不可或缺的 。

          在氧化應激的條件下 , KHK-A的 S80位點被活化的AMPK磷酸化。經質譜分析,磷酸化的KHK-A發生構象改變後會與自噬受體p62相互作用 。“存在即合理” , 既然肝癌細胞特異性表達的KHK-A喪失了果糖激酶原本應有的代謝激酶活性 ,那麼是否它可以作爲蛋白激酶參與氧化應激通路的調控呢 ?呂志民實驗室發現 ,S80磷酸化可以作爲KHK-A獲得蛋白激酶活性的開關  ,使其磷酸化 p62的S28位。值得一提的是,在KHK-A蛋白上高度保守的S80,在KHK-C亞型上卻並不存在,這導致KHK-C無法結合和磷酸化p62,這是KHK-A和KHK-C對氧化應激信號響應存在差異的根本原因 。進一步的研究顯示,磷酸化的p62 有助於其發生寡聚化 ,在細胞內呈現點狀化聚集 。作爲重要的自噬受體,寡聚的p62結合Keap1形成聚合物(自噬體), 可有效降低 Keap1與Nrf2的結合能力, 形成的聚合體更容易通過自噬途徑被清除, 從而降低Keap1水平及其結合 Nrf2的能力  , 導致Nrf2入核的增加以及Nrf2介導的抗氧化酶基因的轉錄 ,最終使得ROS得以有效清除並保證肝癌細胞在氧化應激條件下的存活。更重要的是 ,利用CRISPR/Cas9技術將肝癌細胞中野生型KHK-A和p62分別突變成KHK-A S80A和p62 S28A均可以有效抑制p62的寡聚化和點狀化 ,從而抑制p62-Keap1-Nrf2信號通路的激活 ,因此,積累的ROS無法被及時清除進而導致細胞死亡。 在動物水平 ,抑制KHK-A介導的p62的磷酸化可以有效抑制肝癌的發生發展和細胞增殖 。 利用肝癌的臨牀標本  ,KHK-A S80, p62 S28的磷酸化水平被發現與Nrf2的細胞覈定位丰度正相關,此外 ,KHK-A S80, p62 S28的磷酸化水平較高的肝癌患者的預後較差,生存期降低 。 綜上所述 ,該項研究從分子機制角度詳盡闡明瞭肝癌細胞中特異表達的KHK-A作爲蛋白激酶對p62-Keap1-Nrf2信號通路的調控網絡 ;從理論上說明了果糖激酶(KHK)基因異常的選擇性剪接,是正常肝細胞與肝癌細胞對氧化應激的差異響應和清除ROS能力不同的重要原因; 從病理意義上揭示了靶向抑制KHK-A蛋白激酶活性可以作爲今後治療肝癌的潛在方法。

          該研究成果由呂志民在MD Anderson 癌症中心和钱柜轉化醫學研究院團隊和溫州钱柜平台呂建新團隊以及第二軍醫大學王紅陽院士團隊合作完成。

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          圖1. 肝癌細胞特異性表達的KHK-A與正常肝細胞中表達的KHK-C對氧化應激不同響應的示意圖

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