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吴乔教授团队揭示肝星状细胞外泌己糖激酶HK1加速肝癌进程新机制

日期: 2022-10-04 访问数:

肝细胞癌(HCC)是最常见的肝恶性肿瘤,临床上超过80%的肝癌是由肝脏纤维化或肝硬化发展而来,提示肝纤维化可直接促进肝癌的发生发展。肝纤维化的关键节点是肝星状细胞(Hepatic stellate cells,HSCs)的激活。HSCs是肝脏特异性的间充质细胞,约占整个肝脏细胞总数的10%。健康肝脏中HSCs处于静息状态,细胞内富含维生素A脂滴;肝脏纤维化时,HSCs转为激活状态,细胞大量增殖,表现出α-平滑肌动蛋白(α-SMA)表达上调和胞外基质分泌增加等特点

胞外囊泡(Extracellular vesicles,EVs)是由细胞释放到胞外基质中的一种膜性的囊泡结构,包含蛋白质、脂类、核酸、代谢物等成分。作为细胞间重要的通讯工具,EVs广泛参与生理和病理过程。2020年5月28日,吴乔教授课题组在Molecular Cell发文阐明肝癌细胞通过胞外囊泡外泌代谢酶PKM2,诱导单核细胞分化成为M2-like巨噬细胞促进肝癌进程。EVs作为细胞间通讯工具在肿瘤细胞和基质细胞中进行双向传递,肝癌细胞通过胞外囊泡外泌重塑肿瘤基质细胞微环境加速肿瘤进程,而肝脏纤维化过程中基质细胞是否通过胞外囊泡调控肝癌发生发展目前尚不清楚。

2022年10月3日,吴乔教授课题组在Nature Metabolism在线发表题为“HK1 from hepatic stellate cell-derived extracellular vesicles promotes progression of hepatocellular carcinoma”的研究论文。研究阐明肝脏纤维化过程中,TGF-β诱导HSCs中己糖激酶HK1的棕榈酰化修饰,促进HK1通过胞外囊泡外泌,而肝癌细胞则劫持纤维化HSCs来源的胞外囊泡HK1来增强自身糖酵解能力从而促进肝癌细胞增殖;此外,研究发现小分子化合物PDNPA通过靶向核受体Nur77阻断TGF-β诱导的HK1外泌,进而抑制肝癌进程,揭示PDNPA抑制HK1外泌的新功能。

研究者分别提取静息状态和激活状态的HSCs胞外囊泡,通过蛋白质定量质谱分析,寻找囊泡中潜在的促癌蛋白。通过比对分析HSCs激活前后外泌蛋白图谱的变化,发现HSCs激活后,代谢通路相关蛋白己糖激酶HK1是其中变化最明显的蛋白之一。进一步研究发现,在肝脏纤维化过程中,促纤维化细胞因子TGF-β通过诱导HK1的棕榈酰化促进其由线粒体转运至细胞质膜,通过TSG101依赖的方式被分选进入lEVs(large EVs)进而外泌。HK1棕榈酰化过程与TGF-β下调去棕榈酰化酶ABHD17B的表达密切相关。

通过分析临床肝癌单细胞数据及CCLE数据库,研究者发现肝癌细胞低表达甚至不表达HK1。然而,肝癌细胞通过劫持HSCs外泌的lEV HK1来提高自身的HK1水平,进而提高肝癌细胞内糖酵解水平来促进肿瘤增殖。研究者进一步通过系列小鼠模型,包括肝原位移植瘤模型、肝癌细胞肺转移模型和DEN/CCl4-或HFD/STZ-诱导的原发肝癌模型,在小鼠体内验证了HSCs来源的lEV HK1促进肝癌进程。

(a)激活的HSCs胞外囊泡中HK1外泌变化位于前列。(b)肝癌吸收DiI标记的HSCs来源的胞外囊泡。(c)尾静脉注射lEV HK1促进肝癌进程。(d)化合物PDNPA靶向Nur77配体结合域(LBD)形成空间位阻抑制Akt与Nur77的结合。(e)PDNPA靶向HSCs内Nur77抑制肝癌进程。

核受体Nur77被报道可以抑制TGF-β诱导的纤维化过程。在该研究中,研究者进一步发现Nur77可转录激活ABHD17B基因的表达水平,进而抑制HK1的棕榈酰化修饰和外泌。然而,在纤维化过程中,TGF-β诱导HSCs中蛋白激酶Akt磷酸化Nur77导致其降解,从而丧失调控去棕榈酰化酶ABHD17B表达的能力。基于此,阻断Nur77和Akt结合则可能避免Nur77降解,保证Nur77通过ABHD17B抑制HK1外泌。通过筛选,研究者从实验室构建的靶向Nur77化合物库中发现小分子化合物PDNPA可以结合在Nur77配体结合域,由此形成空间位阻阻断Akt结合到Nur77配体结合域,从而大大提高Nur77表达水平,抑制纤维化过程中HK1的外泌。在HSCs内特异性敲除Nur77的转基因小鼠进一步验证了化合物PDNPA通过靶向Nur77抑制肝癌发生发展的新通路。

综上所述,本文阐明了一个未见报道的肝纤维化促进肝癌进程的新机制,并筛选到具有潜力的小分子化合物PDNPA,通过阻断HSCs中HK1外泌抑制肝癌进程。

代谢重编程是肿瘤重要特征之一,肿瘤细胞通过重塑自身代谢以满足快速增殖的物质和能量需求。HKs家族蛋白被发现在肝细胞和肝癌细胞中差异表达。肝癌细胞通常表达葡萄糖高亲和力的HK2亚型,被认为是潜在的肝癌治疗靶点。而葡萄糖亲和力最高的HK1亚型在肝癌细胞中几乎不发生转录,其功能在肝癌中长期被忽视。该研究发现肝癌细胞可以劫持HSCs外泌的HK1,这不仅可以加强肿瘤细胞的糖酵解水平,还可以在低葡萄糖浓度条件下保证肿瘤细胞对葡萄糖的利用,以适应肝癌发展进程中肿瘤组织内营养不足的情况。尽管HK2被认为是治疗HK1-HK2+肿瘤类型的理想靶点,该研究提示联合靶向肿瘤自身的HK2和HSCs来源的胞外囊泡HK1将是更为理想的肝癌治疗策略。同时,肝星状细胞研究领域权威专家Robert F. Schwabe同期在Nature Metabolism杂志发表针对本研究的评论性文章(News&views)“Liver cancer metabolism: a hexokinase from the stars”,指出联合靶向HK1和HK2将作为靶向肝癌代谢的新方案。

该论文的共同第一作者为博士后陈旗涛、博士生张致远和黄巧玲,陈航姿教授,共同通讯作者为吴乔教授和陈航姿教授。该工作得到了厦门大学附属中山医院王效民教授和赵文秀副教授、中科院生物与化学交叉研究中心胡军浩研究员、学院李光教授的大力支持。

原文链接:https://www.nature.com/articles/s42255-022-00642-5

评论性文章链接:https://www.nature.com/articles/s42255-022-00659-w

(图/文 吴乔课题组)

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