癌细胞。作者手稿;PMC 2013年11月13日提供。
以最终编辑形式发布为:
PMCID公司:项目经理3500524
尼姆斯:尼姆斯412444
磷酸甘油变位酶1协调糖酵解和生物合成,促进肿瘤生长
,1,12 ,2,11,12 ,1 ,1 ,1 ,1 ,1 ,2 ,2 ,三 ,三 ,4 ,5 ,5 ,5 ,6 ,6 ,7 ,1 ,1 ,1 ,1 ,1 ,1 ,1 ,1 ,8 ,9 ,10 ,1 ,2,*和1,*
日本麻生太郎
1美国佐治亚州亚特兰大市埃默里大学医学院埃默里Winship癌症研究所血液学和肿瘤医学系,邮编:30322
泸州
2美国伊利诺伊州芝加哥市芝加哥大学化学系和生物物理动力学研究所,邮编:60637
香农精灵
1美国佐治亚州亚特兰大市埃默里大学医学院埃默里Winship癌症研究所血液学和肿瘤医学系,邮编:30322
范军(Jun Fan)
1美国佐治亚州亚特兰大市埃默里大学医学院埃默里Winship癌症研究所血液学和肿瘤医学系,邮编:30322
喜邦康
1美国佐治亚州亚特兰大市埃默里大学医学院埃默里Winship癌症研究所血液学和肿瘤医学系,邮编:30322
Jae Ho Seo先生
1美国乔治亚州亚特兰大埃默里大学医学院埃默里温希普癌症研究所血液学和医学肿瘤学系30322
长梁山
1美国佐治亚州亚特兰大市埃默里大学医学院埃默里Winship癌症研究所血液学和肿瘤医学系,邮编:30322
清岱
2美国伊利诺伊州芝加哥市芝加哥大学化学系和生物物理动力学研究所,邮编:60637
梁张
2美国伊利诺伊州芝加哥市芝加哥大学化学系和生物物理动力学研究所,邮编:60637
谢建新
三Cell Signaling Technology,Inc.(CST),美国马萨诸塞州丹佛市,邮编:01923
丁磊谷
三Cell Signaling Technology,Inc.(CST),美国马萨诸塞州丹佛市,邮编:01923
彭进
4美国佐治亚州亚特兰大市埃默里大学医学院人类遗传学系,邮编:30322
马萨·阿列克维奇
5美国新泽西州普林斯顿大学分子生物学系08544
加里·勒罗伊
5美国新泽西州普林斯顿大学分子生物学系08544
系康毅滨
5美国新泽西州普林斯顿大学分子生物学系08544
杰西卡·萨德思
6UT西南医疗中心,美国得克萨斯州达拉斯75390
拉尔夫·德贝拉迪尼斯
6美国德克萨斯州达拉斯市UT西南医疗中心,邮编75390
赤浩銮
7美国伊利诺伊州埃文斯顿西北大学分子生物科学系,邮编60208
乔治亚Z.Chen
1美国佐治亚州亚特兰大市埃默里大学医学院埃默里Winship癌症研究所血液学和肿瘤医学系,邮编:30322
苏珊·穆勒
1美国乔治亚州亚特兰大埃默里大学医学院埃默里温希普癌症研究所血液学和医学肿瘤学系30322
Dong M.Shin先生
1美国佐治亚州亚特兰大市埃默里大学医学院埃默里Winship癌症研究所血液学和肿瘤医学系,邮编:30322
陶斐克·K·Owonikoko
1美国佐治亚州亚特兰大市埃默里大学医学院埃默里Winship癌症研究所血液学和肿瘤医学系,邮编:30322
萨加·罗尼亚尔
1美国佐治亚州亚特兰大市埃默里大学医学院埃默里Winship癌症研究所血液学和肿瘤医学系,邮编:30322
玛莎·L·阿雷拉诺
1美国佐治亚州亚特兰大市埃默里大学医学院埃默里Winship癌症研究所血液学和肿瘤医学系,邮编:30322
汉娜·库里
1美国佐治亚州亚特兰大市埃默里大学医学院埃默里Winship癌症研究所血液学和肿瘤医学系,邮编:30322
法德洛·R·库里
1美国佐治亚州亚特兰大市埃默里大学医学院埃默里Winship癌症研究所血液学和肿瘤医学系,邮编:30322
本杰明·H·李
8诺华生物医学研究院,美国马萨诸塞州剑桥02139
叶克强
9美国佐治亚州亚特兰大市埃默里大学医学院病理学和实验医学系,邮编:30322
提图斯·博根
10美国康涅狄格州纽黑文市耶鲁大学医学院药理学系,邮编:06520
苏敏康
1美国佐治亚州亚特兰大市埃默里大学医学院埃默里Winship癌症研究所血液学和肿瘤医学系,邮编:30322
川河
2美国伊利诺伊州芝加哥市芝加哥大学化学系和生物物理动力学研究所,邮编:60637
陈静(音译)
1美国佐治亚州亚特兰大市埃默里大学医学院埃默里Winship癌症研究所血液学和肿瘤医学系,邮编:30322
1美国佐治亚州亚特兰大市埃默里大学医学院埃默里Winship癌症研究所血液学和肿瘤医学系,邮编:30322
2美国伊利诺伊州芝加哥市芝加哥大学化学系和生物物理动力学研究所,邮编:60637
三Cell Signaling Technology,Inc.(CST),美国马萨诸塞州丹佛市,邮编:01923
4美国佐治亚州亚特兰大市埃默里大学医学院人类遗传学系,邮编:30322
5美国新泽西州普林斯顿大学分子生物学系08544
6美国德克萨斯州达拉斯市UT西南医疗中心,邮编75390
7美国伊利诺伊州埃文斯顿西北大学分子生物科学系,邮编60208
8诺华生物医学研究院,美国马萨诸塞州剑桥02139
9美国佐治亚州亚特兰大市埃默里大学医学院病理学和实验医学系,邮编:30322
10美国康涅狄格州纽黑文市耶鲁大学医学院药理学系,邮编:06520
11当前地址:中国上海复旦大学药学院,邮编:201203
12这些作者为这项工作做出了同等贡献。
简介
癌细胞中的Warburg效应包括有氧糖酵解增加和乳酸生成增强,这比主要依赖氧化磷酸化的正常细胞更快生成更多ATP(Kroemer和Pouyssegur,2008年). 此外,肿瘤组织捕获的葡萄糖比正常组织多,因为癌细胞使用大量葡萄糖作为大分子合成代谢生物合成的碳源。这些物质包括核苷酸、氨基酸和脂肪酸,分别用于产生RNA/DNA、蛋白质和脂质,这些物质是细胞增殖和满足快速生长的肿瘤的要求所必需的(Kroemer和Pouyssegur,2008年). 有趣的是,白血病细胞也高度糖酵解(Elstrom等人,2004年;Gottschalk等人,2004年)尽管事实上,与大多数正常组织中的细胞相比,这些细胞在血液中的氧张力更高。
在糖酵解过程中,包括葡萄糖-6-磷酸(G6P)在内的糖酵化中间产物可以转移到戊糖磷酸途径(PPP)中,该途径通过产生还原性烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)和/或核糖-5-磷酸(R5P)形式的还原电位,促进大分子生物合成,核苷酸合成的基石。NADPH是PPP产生的最关键的代谢物,因为NADPH不仅可以促进大分子生物合成,如脂肪生成,而且还可以作为一种重要的抗氧化剂,淬灭癌细胞快速增殖过程中产生的活性氧物种(ROS)。糖酵解和谷氨酰胺水解提供TCA循环所需的碳输入,以作为生物合成“中枢”,并允许生产其他大分子,包括氨基酸和脂肪酸(凯恩斯等人,2011年). 因此,癌细胞似乎能够协调糖酵解和合成代谢,为癌细胞增殖和疾病发展提供整体代谢优势。然而,这种协调的具体机制在很大程度上仍然未知。
磷酸甘油酸变位酶1(PGAM1)在糖酵解过程中催化3-磷酸甘油酯(3-PG)转化为2-磷酸甘油酸(2-PG)。PGAM1调节糖酵解中的一个独特步骤,大多数用作合成代谢生物合成前体的糖酵解中间体都在该步骤的上游。在许多癌症中,包括肝细胞癌和结直肠癌,PGAM1活性与正常组织相比增加(刘等人,2008;Ren等人,2010年). PGAM1基因表达被认为是由于失去TP53型在癌细胞中,如TP53型负调控PGAM1基因表达(Corcoran等人,2006年;Tennant等人,2009年;Tennant等人,2010年). 在这里,我们研究了PGAM1在糖酵解和合成代谢生物合成协调中的作用,以及PGAM1促进癌细胞增殖和肿瘤生长的机制。
结果
PGAM1控制细胞内3-PG和2-PG水平,对癌细胞的糖酵解和合成代谢生物合成以及癌细胞增殖和肿瘤生长至关重要
为了更好地了解癌细胞如何协调糖酵解和合成代谢生物合成,我们检测了糖酵解酶PGAM1的靶向下调的影响。肺癌H1299、乳腺癌MDA-MB231、急性髓细胞白血病Molm14和头颈癌212LN细胞中PGAM1的稳定敲除导致PGAM1活性降低(图S1). 接下来,我们使用亲本H1299细胞和PGAM1稳定敲低的细胞的细胞裂解物样品进行了全局代谢谱分析(Metabolon)。结果表明,使用Welch’s Two Sample,PGAM1敲除导致118种生化物质(61种上调,57种下调)的细胞内浓度发生变化,p<0.05t吨-测试。在这些生化物质中,我们观察到与对照细胞相比,PGAM1敲除时PGAM1底物3-PG水平增加(表S1–S2). 与此一致,我们发现在不同的癌细胞中,shRNA对PGAM1的衰减不仅导致3-PG的增加()但也降低了2-PG()与包含空向量的相应控制单元相比的水平(详细数据显示在表S3). 用不同方法测定的细胞内3-PG和2-PG水平具有可比性(图S1B-S1C). 此外,与对照亲代3T3细胞相比,3T3中PGAM1的稳定过度表达导致2-PG水平增加而3-PG水平降低(图S1D). 这些结果表明,PGAM1在控制癌细胞中其底物3-PG和产物2-PG的代谢水平方面起着关键作用。
PGAM1控制癌细胞内的3-PG和2-PG水平,对糖酵解和合成代谢生物合成以及细胞增殖和肿瘤生长至关重要(A–B)在不同的PGAM1敲除癌细胞中测定3-PG和2-PG的细胞内浓度,并与对照细胞进行比较。详细浓度列于表S3.
对稳定敲除PGAM1的(C–J)H1299细胞和携带空载体的对照细胞进行糖酵解速率(C)、乳酸生成(D)、RNA生物合成(E)、脂肪生成(F)、NADPH/NADP测试+比率(G)和氧化PPP通量(H)。在存在或不存在100nM寡霉素(ATP合酶抑制剂)的情况下,还测试了细胞内ATP水平(I)和耗氧率(J)。
(K) 通过对多种人类癌症(H1299、212LN和MDA-MB231)和PGAM1稳定敲除的白血病(KG1a、Molm14和K562)细胞进行细胞计数,确定细胞增殖率,并将其归一化为含有空载体的相应对照细胞。
(五十) shRNA稳定敲除PGAM1可降低裸鼠移植瘤H1299细胞的肿瘤生长潜能。左侧:显示了一只典型裸鼠中的切除肿瘤(用红色箭头表示)和肿瘤裂解物中PGAM1的表达。赖特:与携带空载体对照的细胞相比,PGAM1敲除细胞在异种移植裸鼠中显示出显著减少肿瘤形成(p值由双尾配对Student’st吨测试)。
误差条表示每个样本三个重复的平均值+/-SD(*:0.01<p<0.05;**:0.01<p<0.01;***:p<0.001)。
另请参见图S1和表S1–S3.
接下来我们研究了PGAM1在癌细胞代谢中的作用。我们发现,与载体控制细胞相比,PGAM1的稳定敲除导致糖酵解速率降低()和乳酸生成()以及RNA和脂质的葡萄糖依赖性生物合成减少,同时NADPH/NADP减少+比率()。由于PPP产生NADPH和R5P以促进大分子生物合成,我们接下来检查PGAM1是否有助于PPP通量。事实上,我们发现与对照载体细胞相比,PGAM1敲除中的氧化PPP通量降低(). 有趣的是,癌细胞中PGAM1的衰减并不影响葡萄糖摄取率(图S1E)或细胞内ATP水平()或O2消耗率()无论是否存在ATP合酶抑制剂寡霉素。这些结果表明,PGAM1的下调减弱了糖酵解、PPP和生物合成,但不会显著影响葡萄糖摄取或细胞内ATP水平。
此外,我们发现PGAM1的稳定敲除会导致多种人类癌症和白血病细胞的细胞增殖下降(). 此外,我们还进行了一项异种移植实验,在裸鼠皮下注射控制H1299细胞,在左翼携带空载体,在右翼携带PGAM1敲除H1299的细胞(;左边). 对小鼠进行为期6周的肿瘤生长监测。与载体控制细胞形成的肿瘤相比,来自PGAM1敲除H1299细胞的肿瘤质量显著减少(;正确的).
PGAM1敲除导致3-PG水平升高,3-PG通过与底物6-磷酸葡萄糖酸(6-PG)竞争结合并抑制6PGD
接下来,我们探索了PGAM1调节PPP的分子机制。我们的数据表明,PGAM1敲除细胞中异常高水平的3-PG可能是由于氧化PPP流量的抑制(). 为了验证这一假设,我们检测了3-PG对葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(G6PD)的影响,葡萄糖-6-磷酸脱氢酶是氧化PPP中第一个也是最重要的酶,产生NADPH,6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶(6PGD)也是一种酶,在NADP存在下将6-磷酸葡萄糖转化为5-磷酸核酮糖时也会产生NADPH+。我们表演了在体外在3-PG浓度增加的情况下进行6PGD和G6PD分析。据报告,人类细胞中3-PG的生理浓度约为50–80μM(Feig等人,1971年;Minakama等人,1964年;Mulquiney和Kuchel,1999年). 如所示表S3我们确定,在H1299、MDA-MB231和Molm14细胞中,对照载体细胞中的3-PG水平约为60–80μM,PGAM1敲除细胞中的3-PG水平为200–300μM,而在212LN对照细胞和PGAM1击倒细胞中,3-PG浓度分别约为160μM和310μM。因此,我们接下来根据上述肿瘤细胞中的生理3-PG水平,研究了增加3-PG浓度对G6PD和6PGD酶活性的影响。
我们发现,使用类似于PGAM1击倒H1299细胞(~250μM)中的3-PG浓度处理会导致6PGD的酶活性降低()在H1299细胞裂解物或重组6PGD(r6PGD)中()然而,在两个实验中,对照H1299细胞(~60μM)中测定的生理3-PG浓度并没有显著影响6PGD酶的活性。在对照实验中,增加3-PG浓度的处理对H1299细胞裂解液中的G6PD活性或rG6PD的活性没有显著影响(图S2A). 此外,2-PG不影响H1299细胞裂解液中6PGD酶的活性或r6PGD的活性(图S2B). 这些结果表明,异常高水平的3-PG,如在PGAM1敲除细胞中,可能选择性地直接抑制6PGD,但不抑制G6PD。
PGAM1的减少导致细胞内3-PG水平增加,3-PG通过与底物6-PG竞争结合并抑制6PGD(A–B)在增加3-PG浓度的情况下,测定H1299细胞裂解液(A)或重组6PGD(r6PGD)(B)中6PGD的酶活性。相对6PGD活性归一化为未经3-PG处理的对照样品。空白载体和PGAM1敲除的对照H1299细胞中的3-PG水平分别为62.5±10.8μM和256±41.9μM。误差条表示每个样本三个重复的平均值+/-SD(**:0.01<p<0.01;***:p<0.001)。
(C) 6PGD和3PG的热位移熔化曲线。采用热位移法检测蛋白质(6PGD)和“配体”(3PG)的相互作用。在100μM至25 mM的浓度下,熔融温度(Tm)的变化呈剂量依赖性,表明3-PG直接与蛋白质结合。6PGD-3-PG相互作用的Kd测定为460±40μM。
(D) Dixon图显示3-PG抑制6PGD,并测定了解离常数(Ki)。
(E) Lineweaver-Burk图显示3-PG作为6PGD的竞争抑制剂发挥作用。
(F) 6PGD和6PG的热位移熔化曲线。进行热位移分析以检测蛋白质(6PGD)和配体(6PG)的相互作用。在浓度为5μM至5 mM时,熔化温度(Tm)的变化呈剂量依赖性,表明6-PG直接与蛋白质结合。6PGD-6PG相互作用的Kd被确定为37±3μM。
另请参见图S2.
为了检测3-PG是否与6PGD结合并抑制6PGD,我们进行了热熔解位移分析,以检测蛋白质(6PGD)和“配体”(3-PG)的相互作用。培养浓度增加的3-PG以剂量依赖的方式提高6PGD熔化温度(Tm),表明3-PG直接与蛋白质结合(). 蛋白质-“配体”相互作用的Kd值计算为460±40μM。此外,我们对3-PG对6PGD的抑制进行了动力学研究Dixon图显示3-PG结合并抑制6PGD。测定的抑制常数(Ki)为489±13μM,与测定的Kd一致。
接下来,我们测定了H1299、MDA-MB231和212LN细胞中6-PG的细胞内浓度,分别为34.9±2.1μM、37.6±0.7μM和24.9±0.4μM。我们进行了额外的酶动力学分析,以测试在生理浓度为6-PG(~35μM)的情况下,3-PG的浓度是否与PGAM1击倒H1299细胞(~250μM)中的浓度类似,作为6PGD的竞争性或非竞争性抑制剂发挥作用。如所示Lineweaver-Burk图表明3-PG是6PGD的竞争抑制剂。由于蛋白质(6PGD)-配体(6-PG)相互作用的Kd值在热熔移分析中计算为37±3μM()这些数据共同表明,在生理浓度下,3-PG(~60–80μM)无法与6-PG(~35μM)有效竞争,以抑制癌细胞中的6PGD;然而,PGAM1减弱后,细胞3-PG水平升高(~250–300μM)导致6PGD酶活性降低。
为了进一步了解3-PG介导的6PGD抑制的结构特性,我们结晶了6PGD(1.39μl)的载脂蛋白形式,并用3-PG浸泡以获得6PGD的3-PG结合形式(1.53μl)(表S4). Fo-Fc密度分析表明,3-PG的电子密度位于3-PG结合6PGD结构的活性部位()但不在apo-6PGD结构中(). 3-PG与6PGD活性部位的几个残基(Y191、T262、R287、R446)相互作用,这些残基对6PGD的底物结合和酶活性很重要(Li等人,2006年) (). 与非形态6PGD结构相比,在3-PG结合6PGD的结构中观察到Arg 446和His 452的不同构象(). 三种不同的6PGD结构与结合NADP、6-PG和3-PG的排列显示活性位点中3-PG和6-PG的重叠(). 总之,这些结果表明,3-PG直接与6PGD结合,并通过与同源底物6-PG竞争抑制6PGD酶的活性,这代表了一种分子机制,解释了PGAM1作为糖酵解酶如何促进氧化PPP的调节,从而促进合成代谢生物合成。
3-PG介导的6PGD抑制的共结晶分析(A) 3-PG附近3.0σ处的Fo-Fc电子密度图的立体图。Fo-Fc密度图显示为蓝色网格。6PGD残留物与3-PG相互作用如图所示。
(B)上部顶部:无偏Fo-Fc电子密度图的立体视图,在3PG周围以3.0σ绘制轮廓。Fo-Fc密度贴图显示为蓝色网格。残留物与3-PG相互作用如图所示。下部顶部:6PGD apo-form的2Fo-Fc电子密度图的立体图,在3-PG结合囊中以1.2σ的等高线以与。2Fo-Fc密度图显示为蓝色网格。上部底部:6PGD-3-PG复合物的2Fo-Fc电子密度图的立体图,在3-PG结合囊处以1.2σ的等高线绘制,方向与图3A和3C相同。2Fo-Fc密度贴图显示为蓝色网格。下部底部:模拟退火省略图的立体视图,在3-PG周围以0.8σ等高线绘制。省略密度图显示为蓝色网格。
(C) 6PGD-apo形式(小麦)和6PGD-3-PG复合物(绿色)的结构比较。6PGD-3-PG复合物结构中的Arg 446和His 452表现出不同的构象。
(D) 6PGD基板结合袋的表面静电势。结合的3-PG(粉红色)与活性位点中的6-PG(蓝色)竞争,但不与NADP(黄色)竞争。通过对齐6PGD-NADP(PDB代码:2JKV)、6PGD-6-PG(PDB编码:3FWN)和6PGD-3PG的结构来建立模型。
另请参见表S4.
通过激活3-磷酸甘油酸脱氢酶(PHGDH),挽救PGAM1敲除细胞中降低的2-PG水平导致3-PG水平降低
为了检测降低的2-PG水平对癌细胞代谢的影响,我们用细胞渗透剂甲基-2-PG处理上述PGAM1击倒的癌细胞,甲基-2-PG在细胞内转化为2-PG。我们证实,在不同的PGAM1敲除癌细胞中,甲基-2-PG治疗导致2-PG细胞水平升高,与相应的对照载体细胞中的水平相当(). 我们还观察到甲基-2-前列腺素治疗可挽救乳酸生成减少()但对细胞内ATP水平没有显著影响(图S3A)与对照载体细胞相比,PGAM1在H1299细胞中稳定敲除。这一结果表明,挽救细胞2-PG水平可逆转PGAM1敲除对糖酵解的抑制作用,并允许下游糖酵化反应恢复并最终生成乳酸。然而,这种被挽救的糖酵解活性并不影响ATP水平,这与我们之前的观察结果一致().
挽救PGAM1击倒细胞中降低的2-PG水平会因PGAM1的衰减而逆转表型(A) 在存在和不存在细胞通透性甲基-2-前列腺素的情况下,测定了稳定敲除PGAM1的各种癌细胞中的2-PG水平。
对PGAM1稳定敲除的(B–F)H1299细胞进行乳酸生成(B)、氧化PPP通量(C)、RNA(D)和脂质(E)的生物合成以及细胞增殖测试
(F) 在有无甲基-2-PG的情况下。
误差条表示每个样本三个重复的平均值+/-SD(*:0.01<p<0.05;**:0.01<p<0.01;***:p<0.001)。
另请参见图S3.
令人惊讶的是,我们还发现,与相应的对照载体细胞相比,甲基-2-前列腺素治疗可以挽救氧化PPP流量减少、RNA和脂质生物合成减少的情况,并部分恢复H1299 PGAM1击倒癌细胞中细胞增殖减少的情况(–). 使用MDA-MB231载体和PGAM1敲除细胞也获得了类似的结果(图S3B–S3E). 这些数据表明,PGAM1敲低细胞中2-PG水平的增加提供了一种反馈机制,以挽救PGAM1上游被废除的PPP和合成代谢生物合成。
我们通过检测挽救的2-PG水平对PGAM1敲除细胞中3-PG浓度的影响来验证这一假设。我们发现,甲基-2-前列腺素治疗可使不同PGAM1敲除细胞中的3-PG浓度降低至与相应对照载体细胞中的3-前列腺素浓度相当的水平(). 这些结果进一步表明,PGAM1控制癌细胞中的2-PG水平,通过调节3-PG水平促进糖酵解和合成代谢生物合成的PGAM1依赖性协调。
由于PGAM1衰减导致2-PG水平降低的补救措施通过激活PHGDH导致3-PG水平下降(A) 在存在和不存在甲基-2-前列腺素的情况下,测定了稳定敲除PGAM1的各种癌细胞中的3-PG水平。
(B–C)PGAM1击倒H1299中PHGDH的酶活性(B;左边)或212LN(B;正确的)在2-PG浓度增加的情况下测定细胞裂解物和重组PHGDH(rPHGDH)(C)。相对酶活性归一化为未经2-PG处理的对照样品。空白载体对照H1299细胞和PGAM1敲除细胞中的2-PG水平分别为46.2±10.2μM和15.0±14.1μM,而空白载体和稳定敲除PGAM1的212LN细胞中2-PG的水平分别为58.3±20.1μM和17.8±14.4μM。
(D) 通过测定稳定敲除PGAM1的H1299细胞的丝氨酸生物合成速率14C从14在存在和不存在甲基-2-前列腺素的情况下,C-葡萄糖。丝氨酸的相对生物合成被标准化,以控制含有空载体的细胞,而不进行甲基-2-PG处理。
(E) Western印迹结果显示,在存在或不存在甲基-2-PG处理的情况下,shRNA介导的H1299细胞中PHGDH的敲除具有PGAM1的稳定敲除。
(F) 2-PG型(左边)和3-PG(正确的)在存在和不存在甲基-2-前列腺素的情况下,测定PHGDH敲除后PGAM1敲除细胞中的水平。
(G–H)PGAM1稳定敲除细胞经或不经靶向PHGDH的shRNA处理后,检测PPP通量(G)以及丝氨酸、脂类和RNA的生物合成(H;左,中和正确的分别)。
误差条表示每个样本三个重复的平均值+/-SD(*:0.01<p<0.05;**:0.01<p<0.01;***:p<0.001;n.s.:不显著)。
接下来,我们确定了细胞内3-PG水平的2-PG依赖性反馈调节的分子机制。除了在糖酵解中由PGAM1催化转化为2-PG外,3-PG还可作为丝氨酸合成的前体,并可通过PHGDH转化为3-磷酸羟基丙酮酸(pPYR)。由于PGAM1敲除细胞中的PGAM1活性减弱,甲基-2-PG处理挽救的细胞2-PG水平可能通过激活PHGDH降低3-PG水平。我们通过检测2-PG对PHGDH活性的影响来验证这一假设,我们使用PGAM1敲除细胞来排除PHGDH酶活性反应中内源性PGAM1对3-PG和2-PG的影响。事实上,我们发现,2-PG浓度与对照H1299细胞(约45μM)或甲基-2-PG处理的PGAM1敲除细胞(约60μM)中测定的浓度相等,这导致H1299 PGAM1击倒细胞裂解物中PHGDH酶活性较高(;左边). 随着2-PG浓度的增加,处理212LN PGAM1敲除细胞裂解物也获得了类似的结果(;正确的). 此外,随着2-PG浓度的增加,重组PHGDH(rPHGDH)的酶活性增加(). 相反,与PGAM1敲除细胞(~15μM)中测定的浓度相对应的2-PG浓度对PHGDH活性没有显著影响。总之,这些研究揭示了细胞2-PG水平通过调节PHGDH有助于控制细胞3-PG水平的反馈机制。
此外,我们发现PGAM1的稳定敲除导致丝氨酸生物合成显著降低,而甲基-2-前列腺素治疗可挽救表型(). 此外,shRNA介导的PHGDH基因敲除()经甲基-2-PG处理后,不会影响PGAM1敲除细胞中挽救的2-PG水平,而PHGDH敲除可消除H1299 PGAM1击落细胞中升高的3-PG水平的甲基-2-PG依赖性降低(,左边和正确的)。这些数据支持我们的假设,即PGAM1控制2-PG水平以调节PHGDH,PHGDH通过转移丝氨酸生物合成中的3-PG来调节3-PG水平。此外,在PGAM1稳定敲除细胞中敲除PHGDH可逆转甲基-2-PG对氧化PPP流量的依赖性拯救以及丝氨酸、脂质和RNA的生物合成()。这些数据共同表明,2-PG除了是糖酵解代谢产物外,还可能通过PHGDH发出信号,以调节PPP流量和合成代谢生物合成,至少部分是通过调节3-PG水平。
PGAM1酶活性在3-PG和2-PG水平之间达到平衡,协调糖酵解和生物合成以促进癌细胞增殖
为了研究PGAM1酶活性在肿瘤代谢和肿瘤发展中的作用,我们筛选并开发了一种PGAM1小分子抑制剂。目前唯一报道的PGAM1抑制剂是MJE3,它可能通过特定修饰靶向PGAM1的活性部位,专门在完整细胞中抑制PGAM1活性体内(Evans等人,2007年;Evans等人,2005年). 我们设计了一种使用耦合PGAM1和烯醇化酶分析的筛选策略,并从FDA批准的2000种小分子化合物库中鉴定出三种铅小分子化合物,包括茜素,作为PGAM1抑制剂(;图S4A–S4B). 我们重点研究了1,2-二羟基蒽醌即茜素(C14H(H)8O(运行)4) (;顶部)它是一种有机化合物,在历史上具有重要的地位,是一种重要的染料,最初来源于茜草属.茜素治疗导致人类白血病KG1a细胞增殖减少,呈剂量依赖性(图S4C–S4D).
小分子PGAM1抑制剂PGMI-004A的鉴定与表征(A) 一级和二级筛选策略的示意图,用于识别作为PGAM1抑制剂的先导化合物。
(B) 茜素及其衍生物茜素红S和PG公司A类M i公司抑制剂(PGMI)-004A。
(C) PGMI-004A通过IC抑制PGAM15013.1μM,这是通过培养纯化的人类PGAM1蛋白和增加的PGMI-004A浓度来确定的。误差条表示每个样品三次重复的平均值+/−SD。
(D) 通过培养纯化的人PGAM1蛋白和增加的PGMI-004A浓度,确定Kd值为7.2±0.7μM。测定色氨酸的荧光强度(Ex:280nm,Em:350nm)(Schauerte和Gafni,1989年).
(E) 在PGAM1底物3-PG浓度增加的情况下,PGMI-004A与重组PGAM1蛋白的竞争性结合试验。增加的游离PGAM1通过增加荧光强度来确定。
(F) 在不同浓度的PGMI-004A和3-PG存在下对PGAM1酶测定进行Dixon图分析。反应速度(v)由NADH氧化导致荧光(ex:340nm,em:460nm)降低的速率确定。Ki测定为3.91±2.50μM。
(G) PGAM1和PGMI-004A的热位移熔化曲线。进行热位移分析以检查蛋白质(PGAM1)和“配体”(抑制剂PGMI-004A)的相互作用。在浓度为2.5μM至80μM时,熔化温度(Tm)的变化呈剂量依赖性,表明PGMI-004A直接与蛋白质结合。PGAM1-PGMI-004A相互作用的Kd测定为9.4±2.0μM。
另请参见图S4.
接下来我们确定了茜素红S(;中间的)作为一组茜素衍生物中更有效的PGAM1抑制剂(图S4E–S4F). 我们通过磺酰胺键添加疏水基团,设计了一组茜素红S衍生物(图S5A). 在这些化合物中,我们重点研究了PGAM1抑制剂004A(PGMI-004A)(;底部),虽然不如红色S在体外,显示出与亲代化合物相比,在白血病KG1a细胞中抑制PGAM1的效力增强(图S5B–S5C). 这可能是因为PGMI-004A比茜素和茜素红S更疏水,从而使细胞具有更好的渗透性。
PGMI-004A通过IC抑制PGAM150约13.1μM()根据荧光结合分析,PGMI-004A-PGAM1相互作用的Kd值为7.2±0.7μM(). 在竞争性结合试验中,PGMI-004A与重组PGAM1蛋白在不同浓度的PGAM1底物3-PG存在下孵育,我们发现,在不同浓度的PGMI-004A存在的情况下,3-PG浓度的增加导致PGMI-004-A-未结合形式PGAM1的荧光强度增加,但在不存在PGMI-004的情况下不会增加(). 这表明PGMI-004A可能变构调节PGAM1的酶活性。使用Dixon图分析确定Ki值为3.91±2.50μM(). 此外,我们还进行了热熔体位移分析,以检查蛋白质(PGAM1)和配体(PGMI-004A)的相互作用。培养浓度增加的PGMI-004A以剂量依赖的方式提高PGAM1的熔化温度(Tm),表明PGMI-004A直接与蛋白质结合(). 蛋白质与蛋白质相互作用的Kd值计算为9.4±2.0μM。总之,这些结果表明PGMI-004A直接与PGAM1结合并抑制其酶活性。
我们发现,PGMI-004A处理对PGAM1活性的抑制导致H1299细胞中的2-PG水平降低,3-PG水平升高,这可以通过甲基-2-PG处理来挽救(). 此外,PGMI-004A治疗可显著降低乳酸生成,而甲基-2-PG治疗可挽救乳酸生成(),但对细胞内ATP水平没有显著影响(). 与这些观察结果一致,在PGMI-004A处理的细胞中,当烯醇化酶被击倒或被特定抑制剂NaF抑制时,甲基-2-PG处理所挽救的乳酸生成被取消(图S5D). 这些结果还表明,从甲基-2-PG中提取的2-PG被细胞代谢,以恢复因PGAM1抑制癌细胞而降低的糖酵解。我们还发现,PGMI-004A处理导致氧化PPP通量降低()和NADPH/NADP+比率()以及脂质和RNA的生物合成减少()和细胞增殖()在H1299细胞中。这些表型与在PGAM1敲除细胞中观察到的表型相似,通过甲基-2-PG治疗可以显著挽救PGAM1,表明PGMI-004A靶向PGAM1以抑制癌细胞代谢和增殖。
PGMI-004A对PGAM1的抑制表明,PGAM1酶活性对调节3-PG和2-PG水平以及协调糖酵解和生物合成以促进癌细胞增殖至关重要(A) 2-PG型(左边)和3-PG(正确的)在存在和不存在甲基-2-前列腺素的情况下,测定用或不使用PGMI-004A处理的H1299细胞中的水平。
在存在和不存在甲基-2-前列腺素的情况下,测定用或不用PGMI-004A处理的H1299细胞的(B–C)乳酸生成量(B)和细胞内ATP水平(C)。
用或不用PGMI-004A处理的(D–E)H1299细胞检测氧化PPP通量(D)和NADPH/NADP+比率(E)。
用或不用PGMI-004A处理的(F–H)H1299细胞,在存在和不存在甲基-2-前列腺素的情况下,测试脂质(F)和RNA(G)的生物合成以及细胞增殖(H)。
(I–K)在PGMI-004A浓度增加的情况下,H1299细胞(I)、不同的人类白血病细胞(J)和对照人类真皮成纤维细胞(HDF)细胞(K)的细胞活力。通过台盼蓝排除法测定细胞活力。
误差条表示每个样本三个重复的平均值+/-SD(*:0.01<p<0.05;***:p<0.001;n.s.:不显著)。
另请参见图S5.
此外,我们观察到,PGMI-004A治疗会降低多种人类癌症和白血病细胞的细胞增殖(;S5E–S5H系列)但不控制人皮肤成纤维细胞(HDF)、人包皮成纤维细胞、人HaCaT角质形成细胞和人黑素细胞PIG1细胞(和S5I系列)表明PGMI-004A对正常增殖的人类细胞的非特异性毒性最小。
通过PGMI-004A治疗靶向PGAM1可抑制癌细胞增殖和肿瘤生长,并改变人类患者原发性白血病细胞中的3-PG和2-PG水平,导致白血病细胞增殖减弱
接下来我们执行了一个体内药物治疗实验。对裸鼠慢性注射PGMI-004A 4周的初步毒性研究表明,腹腔注射100mg/kg/天是一种耐受性良好的剂量。此外,PGMI-004A(100mg/kg/天)连续治疗7天,未导致裸鼠体重、全血细胞计数(CBC)或造血特性的显著变化(表S5). 组织病理学分析显示,经药物治疗的组和经PGMI-004A治疗的组之间没有明显差异(图S6A–S6D). 我们通过向裸鼠注射H1299细胞进行异种移植实验(Hitosugi等人,2009年). 注射后6天,将小鼠分为两组(n=8/组),用PGMI-004A(100mg/kg/天)或载体治疗21天。我们发现,与接受载体对照的小鼠相比,PGMI-004A治疗可显著降低治疗小鼠的肿瘤生长和肿瘤大小(分别为;图S6E–S6F). 此外,PGMI-004A治疗可有效抑制肿瘤中PGAM1酶的活性体内异种裸鼠肿瘤切除(图S6G). 这些数据共同表明,PGMI-004A靶向PGAM1抑制PGAM1体内这种抑制作用会对肿瘤细胞产生特异性毒性。
PGMI-004A治疗导致3-PG水平升高,2-PG水平降低,人类患者原发性白血病细胞的细胞增殖降低,异种移植裸鼠的肿瘤生长减弱体内(A–B)比较注射了H1299细胞的异种裸鼠移植瘤在PGMI-004A治疗组和溶媒对照组之间的肿瘤生长(A)和肿瘤大小(B)。p值由双尾Student’s确定t吨测试。
(C) PGAM1蛋白表达(降低)和酶活性(上面的)用不同AML、CML和B-ALL患者的原代白血病细胞检测其水平,并与健康献血者的对照外周血细胞进行比较。
(D) PGMI-004A处理对3-PG的影响(左边)和2-PG(正确的)从一名典型AML患者的外周血样本中分离出的人类原发性白血病细胞的水平。
(E) PGMI-004A处理对细胞活力的影响(左边),PGAM1活性(中间的)和乳酸生成(正确的)来自一名典型CML患者的人类原发性白血病细胞。
(F–G)甲基-2-PG处理对细胞活力降低的影响(F;G左边)和乳酸生成(G正确的)在经PGMI-004A处理的AML患者人类原代白血病细胞中。
(H–I)PGMI-004A在治疗(120小时)从代表性健康人类捐赠者的骨髓样本(I)中分离出的外周血细胞(H)和CD34+细胞时无毒性。
(J) 建议模型:PGAM1在癌细胞代谢中的作用。
左侧:PGAM1活性在癌细胞中上调,以促进糖酵解并保持细胞内3-PG水平较低,这反过来又允许高水平的PPP和生物合成,以满足快速生长肿瘤的要求。PGAM1还维持2-PG的生理水平,以维持PHGDH的活性,从而将3-PG从糖酵解转移到丝氨酸合成,并有助于保持癌细胞中相对较低的3-PG水平。这些协同作用为癌细胞增殖和肿瘤生长提供了代谢优势。
赖特:当PGAM1被抑制时,3-PG水平升高,进而抑制6PGD,从而抑制氧化PPP和合成代谢生物合成。同时,2-PG降低到低于生理浓度的水平,导致PHGDH活性降低,从而促进3-PG的积累。这种代谢变化导致细胞增殖减弱和肿瘤发展。
误差条表示每个样本三次重复的平均值+/-SD(*:0.01<p<0.05;**:0.01<p<0.01;***:p<0.001;n.s.:不显著)。
另请参见图S6和表S5.
我们发现,与健康献血者的对照外周血细胞相比,不同AML、CML和B-ALL患者(n=12)的原发性白血病细胞中PGAM1蛋白表达和酶活性水平通常上调(n=4)(). 我们接下来发现,与我们在癌细胞系中的观察结果一致,通过PGMI-004A治疗抑制PGAM1会导致典型AML患者原发性白血病细胞中3-PG水平升高而2-PG水平降低(). PGMI-004A治疗还导致8名白血病患者中的7名(1名CML和6名AML)样本的细胞活力降低,PGAM1活性和乳酸生成降低。和S6H–S6I系列分别以CML和AML患者的样本为代表显示结果。此外,甲基-2-前列腺素治疗可挽救细胞活力下降(
左边)和乳酸生成(
正确的)在典型AML患者的原代白血病细胞中。此外,PGMI-004A治疗不会影响两名健康人外周血样本中单核细胞的细胞活力(和S6J系列)和从四名健康献血者的骨髓样本中分离出的CD34+细胞(和S6K系列)表明PGMI-004A具有良好的抗癌潜力,对人体血细胞的毒性最小。这些转化研究结果共同表明,PGAM1是治疗人类恶性肿瘤的一个有希望的治疗靶点。
讨论
我们的研究结果表明,通过癌细胞中基因表达的增加上调PGAM1,对癌细胞增殖和肿瘤生长具有代谢优势;PGAM1至少部分通过控制其底物3-PG和产物2-PG的细胞内水平来协调糖酵解和合成代谢生物合成(). 我们的结果揭示了3-PG通过直接与6PGD的活性位点结合并与其底物6-PG竞争来抑制6PGD。PGAM1的减弱导致3-PG的异常积累,而3-PG反过来抑制6PG,从而抑制氧化PPP和合成代谢生物合成。此外,我们的研究结果表明,PGAM1不仅通过底物消耗直接控制其产物3-PG的细胞内水平,还通过控制其产物2-PG的水平间接控制其产物3-PG的细胞内水平。生理浓度的2-PG促进PHGDH的酶活性,PHGDH将3-PG转化为pPYR,降低细胞3-PG水平。PGAM1减弱后,2-PG降低到低于生理浓度的水平,导致PHGDH活性降低,这有助于3-PG的积累。这代表了2-PG激活PHGDH以提供3-PG水平反馈控制的调节机制。因此,我们认为PGAM1活性在癌细胞中上调,以促进糖酵解并保持细胞内3-PG水平较低,从而使PPP和生物合成水平较高,以满足快速生长肿瘤的要求。这与之前的报告一致,即TP53的表达抑制癌细胞中的氧化PPP(Jiang等人,2011年). 此外,PGAM1还可能负责维持2-PG的生理水平,以维持PHGDH的活性,从而将3-PG从糖酵解转移到丝氨酸合成,并有助于保持癌细胞中相对较低的3-PG水平。
shRNA抑制PGAM1或使用小分子抑制剂PGMI-004A治疗会导致糖酵解和合成代谢生物合成发生改变,并降低癌细胞增殖和肿瘤生长。有趣的是,靶向PGAM1并不显著影响细胞内ATP水平。由于PGAM1敲除细胞中糖酵解减弱而导致的ATP生成减少可能通过线粒体氧化磷酸化以外的其他机制进行补偿,或者PGAM1击除细胞中的ATP消耗也可能相应减少。甲基-2-前列腺素治疗挽救了大多数上述表型。通过挽救PGAM1下游的糖酵解过程,以及减少氧化PPP流量和RNA和脂质的生物合成,用减毒PGAM1挽救细胞中的2-PG水平,至少部分通过降低升高的3-PG水平来逆转乳酸生成的减少。然而,甲基-2-PG处理仅部分挽救PGAM1敲低细胞或用PGMI-004A处理的细胞中减弱的细胞增殖。这一结果表明,PGAM1可能以2-PG依赖和独立的方式促进细胞增殖。
目前对糖酵解和PPP/生物合成之间联系的理解是基于一个模型,在该模型中,糖酵解中间体可以作为前体转移到PPP和生物合成途径中。我们的结果表明,糖酵解代谢产物(如3-PG和2-PG)的浓度可以直接影响参与PPP和生物合成的酶的催化活性,这代表了糖酵化、PPP和生物合成之间的额外联系。过去,代谢产物被认为是信号分子。示例包括AMP,它是AMP-活化蛋白激酶(AMPK)的变构激活剂,AMPK是一种感知细胞内能量水平(ATP/AMP比率)的激酶(Shackelford和Shaw,2009年)和谷氨酰胺,激活亮氨酸摄取,导致mTOR激活(Nicklin等人,2009年). 我们发现,糖酵解的两个关键中间产物3-PG和2-PG的细胞水平对代谢酶有额外的调节作用,从而影响细胞代谢和增殖,这提供了一个例子,表明糖酵解代谢产物也可以作为控制细胞代谢和细胞反应的信号分子。此外,我们的研究结果还描述了一种反馈机制,通过该机制,代谢酶(PGAM1)的产物水平(2-PG)可以通过影响参与底物生成的替代酶(PHGDH)来调节其底物水平(3-PG)。因此,这项研究显示了细胞代谢的复杂性,表明控制特定代谢物的细胞内水平可能涉及不同代谢反应中的不同酶,这样,细胞内各种代谢物水平的平衡可能对不同途径中的酶发挥调节作用,以控制细胞代谢。这种机制可以用于抗癌治疗。
先前的报告描述了通过PGAM1衍生抑制肽或PGAM抑制剂MJE3靶向PGAM1可抑制癌细胞增殖(Engel等人,2004年;Evans等人,2005年). 与这些观察结果一致,我们的研究表明,PGAM1的蛋白表达和酶活性水平对癌细胞增殖和肿瘤生长非常重要。我们的化合物PGMI-004A在治疗异种裸鼠方面表现出良好的疗效体内对多种人类癌细胞和人类患者的原发性白血病细胞具有最小的毒性在体外对人体细胞无明显的靶外效应,毒性最小。这些转化研究提供了“原理证明”,表明抗PGAM1在严重依赖Warburg效应的肿瘤的临床治疗中是一种有前途的治疗方法。然而,PGAM抑制剂的潜在毒性体内对于正常的有丝分裂后代谢活跃的器官,如大脑、肝脏、骨骼肌和心脏,所有这些器官都是糖酵解的,目前尚不确定。这需要进一步详细的毒性和药代动力学研究,以改进癌症治疗中拟议的抗PGAM1治疗。
实验程序
细胞代谢产物的提取和测量
如前所述提取细胞代谢物并进行分光光度测定(考夫曼等人,1969年;Minakama等人,1965年)进行了一些修改。为了测定2-PG和3-PG的细胞浓度,将100μL的填充细胞颗粒均匀地放入1.5 ml低渗裂解缓冲液(20 mM HEPES(pH 7.0)、5 mM KCl、1 mM MgCl)中2、5 mM DTT和蛋白酶抑制剂混合物)。匀浆在4°C的冷室中以最大速度离心10分钟,上清液用10KDa截止过滤器(Millipore)涂敷在Amicon Ultra试管中。含有代谢物的流量用于测量。NADH、ADP和MgCl2添加到流量中,最终浓度分别为0.14 mM、1 mM和50 mM。将重组LDH和PKM1蛋白分别添加到5μg/ml和10μg/ml的最终浓度。将重组烯醇化酶蛋白加入到50μg/ml的终浓度以测量细胞2PG。一旦烯醇化酶引发反应,用DU800分光光度计(贝克曼)测量340nm处NADH氧化引起的吸光度降低。烯醇化酶反应终止后,将重组PGAM1蛋白加入到25μg/ml的终浓度,并立即监测340nm处吸光度的下降,以测量细胞3PG。100μL 2-PG和3-PG(Sigma)用1.5 ml低渗裂解缓冲液稀释后用作标准品。
蛋白质结晶、数据收集和结构测定
对于蛋白质结晶,采用悬挂滴气相扩散法结晶6PGD。为了浸泡在3-PG中,向混合物中添加0.2μL 5 mM 3-磷酸甘油酸,并培养2小时。然后用相同的冷冻保护剂溶液在液氮中对晶体进行闪速冷冻。由于3-PG的高浓度会导致晶体开裂,因此最终3-PG浓度为833μM,精炼后的占有率为50%。为了收集数据,分别在阿贡国家实验室先进光子源的生命科学束线GM/CA-CAT(23-ID-F)和NE-CAT(24-ID-E)的大分子晶体学中收集了6PGD apo-form和6PGD-3-PG复合物的晶体衍射数据。数据用HKL2000进行处理,缩放数据用于分子替换。为了进行阶段划分、模型构建和精细化,使用CCP4套件中的Molrep进行分子替换,以6PGD-6-PG结构解析后的蛋白质部分作为搜索模型(pdb代码:3FWN)来确定6PGD apo-form的结构(Chen等人,2010年). 然后使用Phenix对结构进行改进(Haddadian等人,2011年). 使用基于电子密度解释的分子图形程序COOT对模型进行手动重建。如果水分子在Fo-Fc密度图中产生超过3σ的峰值,则将其纳入模型。6PGD-3-PG复合物的结构也通过Molrep的分子置换确定,以6PGD脱辅基的解析结构为搜索模型,然后使用Phenix进行精细化。使用分子图形程序COOT手动重建模型。利用PyMol软件对apoform和6PGD-3-PG复合物的最终结构进行了可视化。
异种移植研究
埃默里大学动物护理和使用委员会批准使用小鼠和设计实验。裸鼠(Athymic Nude-Foxn1nu,6-8周龄雌性,Harlan)皮下注射10×106H1299细胞在左侧有空载体,在右侧有内源性hPGAM1稳定敲除的细胞。在实验终点采集肿瘤并称重,比较每只小鼠两侧有无内源性hPGAM1稳定敲除的细胞产生的肿瘤质量(g)。通过对比对照组与双尾配对Student’st吨测试。为了使用异种移植小鼠对PGMI-004A进行药物评估,在每只小鼠右侧皮下注射H1299细胞后的6天内,每天通过腹腔注射给药,剂量为100 mg/kg。通过使用公式4π/3×(宽度/2)在3周的过程中测量肿瘤的两个垂直直径来记录肿瘤生长2×(长度/2)。在实验终点采集肿瘤并称重。比较用载体对照(DMSO:PEG400:PBS,比例为4:3:3)和PGMI-004A治疗的肿瘤质量(g),并用双尾Student’st吨测试。
白血病患者和健康献血者的原始组织样本
埃默里大学医学院机构审查委员会批准使用人体标本。所有临床样本均在埃默里大学机构审查委员会批准的知情同意下获得。患者的临床信息是根据埃默里大学医学院机构审查委员会的指导原则和《健康保险携带和责任法案》的批准,从埃默里医院的病理档案中获得的。仅使用之前未接受化疗或放疗的患者的样本。用淋巴细胞分离培养基(Cellgro)从人类白血病患者外周血和骨髓样本或健康献血者外周血样本中分离出单核细胞(MNC)。细胞在添加有10%FBS和青霉素/链霉素的RPMI 1640培养基中培养,并与浓度增加的PGMI-004A孵育72或120小时。