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分子细胞。作者手稿;PMC 2015年11月6日提供。
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谷氨酰胺氧化在线粒体丙酮酸转运受损期间维持TCA循环和细胞存活

关联数据

补充资料

总结

替代的新陈代谢模式使细胞能够抵抗新陈代谢压力。抑制这些代偿途径可能会产生合成致命性。我们之前证明,葡萄糖剥夺刺激了一条途径,在该途径中,谷氨酸脱氢酶(GDH)下游的谷氨酰胺形成乙酰辅酶a。这里我们显示丙酮酸进入线粒体抑制GDH和谷氨酰胺依赖性乙酰辅酶A的形成。抑制线粒体丙酮酸载体(MPC)可激活GDH并重新启动谷氨酰胺代谢,以生成草酰乙酸和乙酰辅酶A,从而实现持久性三羧酸(TCA)循环功能。药物阻断GDH在培养中引起了大量的细胞抑制作用,但当与MPC抑制结合时,这些作用变成了细胞毒性。与作为单一药物使用的两种抑制剂相比,同时使用MPC和GDH抑制剂显著降低了肿瘤生长。这些数据共同定义了一种诱导谷氨酰胺分解的机制,并揭示了丙酮酸供应受损期间线粒体参与的生存途径。

细胞生存和生长需要产生能量的代谢途径、大分子合成的前体和其他基本功能的底物(Vander Heiden等人,2009年). 在哺乳动物中,葡萄糖和谷氨酰胺是支持这些功能的两种最丰富的营养素(Cantor和Sabatini,2012年). 葡萄糖是能量生成途径中最重要的碳源,为线粒体的氧化代谢提供乙酰辅酶A。谷氨酰胺是碳和氮的组织间穿梭物,是非必需氨基酸、核苷酸和己糖胺的主要氮源(Hensley等人,2013年). 在培养基中,葡萄糖和谷氨酰胺占碳和氮代谢的很高比例。

三羧酸(TCA)循环协调能量生产和生物合成。如通常所述,该途径始于乙酰辅酶A和草酰乙酸(OAA)的缩合,生成柠檬酸盐。柠檬酸盐氧化产生还原当量,通过氧化磷酸化驱动ATP生成。两个碳以CO的形式释放2每个周期,再生OAA。在增殖细胞中,TCA循环以不同的方式运行,其特征是中间产物从循环中退出,以提供各种生物合成途径。在这些条件下,OAA将成为限制性的,除非它是由另一条并非来自线粒体柠檬酸盐的途径产生的。这些OAA生成途径被称为无补体,使TCA循环作为生物合成途径而不是纯生物能量途径发挥作用(Owen等人,2002年).

在标准培养中,许多癌细胞使用一种TCA循环形式,其中大多数乙酰辅酶a由葡萄糖产生,大部分回补由谷氨酰胺提供(DeBerardinis等人,2007年). 谷氨酰胺通过谷氨酰胺酶(GLS)转化为谷氨酸,谷氨酰胺酶以氨的形式释放谷氨酰胺中的酰胺氮(Mates等人,2013年)以及核苷酸合成中涉及的氮氧化反应。谷氨酸通过两种反应转化为α-酮戊二酸(AKG)。其中一种,转氨酶将氨基酸从谷氨酸转移到酮酸,生成AKG和氨基酸。另一种方法是,谷氨酸通过谷氨酸脱氢酶(GDH)脱氨基,释放氨并生成AKG,而不消耗酮酸。在葡萄糖充足的条件下,转氨作用占主导地位(Yang等人,2009年). 谷氨酰胺依赖细胞的生长需要GLS和转氨酶(Cheng等人,2011年;Gao等人,2009年;Qing等人,2012;Wang等人,2010年).

葡萄糖和谷氨酰胺是多功能的,在某些情况下相互补偿以维持TCA循环功能。虽然谷氨酰胺是许多癌细胞中首选的补体前体,但其他一些癌细胞通过丙酮酸羧化酶(PC)利用葡萄糖生成OAA。谷氨酰胺依赖性细胞可以通过减少谷氨酰胺的可用性而转变为谷氨酰胺独立性,这一过程增加了细胞对PC的依赖性(Cheng等人,2011年). 谷氨酰胺还可以通过还原羧基化生成乙酰辅酶A,其中谷氨酰胺衍生的AKG被羧基化以生成异柠檬酸盐/柠檬酸盐,然后被裂解以生成OAA和乙酰辅酶a。还原代谢而非氧化代谢是谷氨酰胺在棕色脂肪细胞系中产生乙酰辅酶a以合成脂肪酸的主要途径(Yoo等人,2008年). 柠檬酸盐的还原标记13当电子传递链(ETC)或TCA循环功能因缺氧或突变而改变时,C-谷氨酰胺增强(Metallo等人,2012年;Mullen等人,2012年;Scott等人,2011年;怀斯等人,2011年).

在这里,我们检查了阻断葡萄糖衍生的丙酮酸盐进入线粒体的线粒体效应。我们发现MPC阻断通过限制在线粒体内的途径诱导谷氨酰胺形成乙酰辅酶a。这种谷氨酰胺分解途径的激活增加了对GDH的依赖,当线粒体丙酮酸输入受到抑制时,这一点至关重要。

结果

葡萄糖抑制许多细胞系中谷氨酰胺依赖性乙酰辅酶A的形成

我们之前的研究表明,葡萄糖戒断可诱导SFxL胶质瘤细胞中谷氨酰胺形成丙酮酸的途径,该胶质瘤细胞来源于经修饰表达抗凋亡蛋白Bcl-xL的SF188胶质母细胞瘤细胞(Yang等人,2009年). 为了进一步描述这一途径,从葡萄糖中提取SFxL细胞并用[U-13C] 谷氨酰胺(含有标记为13C) ●●●●。典型[U-13C] 谷氨酰胺代谢如图所示图1A(顶部)。在SFxL细胞中,无论是在葡萄糖充足还是葡萄糖缺乏的条件下,大多数琥珀酸、富马酸、苹果酸和天冬氨酸(OAA标记的替代物)都是从谷氨酰胺(m+4)中完全标记的,这表明无论葡萄糖是否存在,谷氨酰胺都被用作补体前体(图1B). 然而,葡萄糖剥夺导致柠檬酸盐发生显著变化,导致出现标记所有六种碳的分子(m+6)(图1C). 如果OAA和乙酰-CoA都是由谷氨酰胺生成的,则会出现这种模式,例如,如果四碳TCA循环中间产物转化为丙酮酸,然后转化为乙酰-CoB(图1A,底部)。柠檬酸盐m+6在葡萄糖存在下几乎检测不到,但在去除葡萄糖后接近30%。用丙酮酸补充葡萄糖缺乏培养基可将柠檬酸盐m+6降低到基础水平,表明谷氨酰胺依赖性乙酰辅酶A的诱导是由丙酮酸可用性降低引起的(图1C). 葡萄糖剥夺也增强HeLa和Huh-7细胞中柠檬酸m+6,丙酮酸抑制了这种模式(图1D).

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丙酮酸消耗使谷氨酰胺代谢转向产生乙酰辅酶A和柠檬酸盐

(A)顶部,Anaplerosis由[U提供-13C] 谷氨酰胺。谷氨酰胺通过α-KG提供OAA,而乙酰-CoA主要由其他营养物质提供,尤其是葡萄糖。底部,谷氨酰胺在没有葡萄糖衍生丙酮酸的情况下转化为乙酰辅酶A。红色圆圈表示[U产生的碳-13C] 谷氨酰胺和灰圈未标记。还原羧基化用绿色虚线表示。缩写:MPC,线粒体丙酮酸载体;α-KG,α-酮戊二酸;OAA,草酰乙酸。

(B) 琥珀酸、富马酸、苹果酸和天冬氨酸的分数包含四个13用[U培养SFxL细胞6小时后的碳-13C] 存在或不存在10 mM未标记葡萄糖(Glc)的谷氨酰胺。

(C) 用[U培养SFxL细胞6小时后柠檬酸的质量同位素-13C] 谷氨酰胺和10 mM未标记葡萄糖;无葡萄糖;或无葡萄糖加上6 mM未标记丙酮酸(Pyr)。

(D) 用[U-13C] 谷氨酰胺和10 mM未标记葡萄糖;无葡萄糖;或没有葡萄糖加上6 mM未标记丙酮酸。

数据是三种独立文化的平均值和标准差。*,p<0.05;**,p<0.01;***,p<0.001。

AKG的还原羧基化是由减少乙酰辅酶A生成柠檬酸的条件诱导的(Fendt等人,2013年;Gameiro等人,2013年). 通过还原羧化形成的柠檬酸盐由[U标记为m+5-13C] 谷氨酰胺,因为加入了未标记的CO2在羧化反应中(图1A,底部)。在所有三种细胞系中,柠檬酸盐m+5的分数量在葡萄糖撤除后最多略有增加。与柠檬酸盐m+6的作用相比,这种作用很小(图1C、D).

线粒体代谢足以形成不依赖葡萄糖的柠檬酸盐

线粒体和细胞质中都存在一些可能使谷氨酰胺转化为乙酰辅酶A的酶反应。为了测试线粒体是否包含柠檬酸盐形成途径所需的所有反应,从SFxL细胞中纯化线粒体(图2A). 这些制剂与呼吸基质一起使用时消耗氧气(图2B). 与[U一起培养时-13C] 谷氨酰胺和未标记的丙酮酸,线粒体迅速形成柠檬酸m+4,表明谷氨酰胺依赖性缺乏(图2C). 用[3替换未标记的丙酮酸-13C] 丙酮酸降低柠檬酸盐m+4,增加柠檬酸盐m+5,表明丙酮酸被用作乙酰辅酶a的来源。从培养基中去除丙酮酸将柠檬酸盐从m+4转移到m+6,表明谷氨酰胺衍生乙酰辅酶A的形成(图2C). 残留柠檬酸盐m+4表明存在未标记的乙酰辅酶A;这并不奇怪,因为线粒体中含有质谱检测到的未标记乳酸和苹果酸,并且没有试图抑制脂肪酸氧化。总的来说,数据表明,分离的线粒体足以在丙酮酸存在下使依赖谷氨酰胺的补体产生柠檬酸。在没有丙酮酸的情况下,线粒体包含从谷氨酰胺中产生柠檬酸盐所必需的全部六种碳。

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分离的线粒体将谷氨酰胺转化为柠檬酸

(A) 全细胞裂解物(细胞)的Western blot和SFxL细胞分离线粒体(线粒体)或胞浆的制备。缩写:AIF,凋亡诱导因子;GAPDH,3-磷酸甘油醛脱氢酶;谷氨酸脱氢酶;ACL,ATP柠檬酸裂解酶。

(B) 典型线粒体样品中的耗氧量。显示了添加ADP/GDP前后的利率。

(C) 用[U培养30分钟的线粒体产生柠檬酸的质量同位素-13C] 谷氨酰胺和含或不含丙酮酸。

抑制线粒体丙酮酸转运诱导谷氨酰胺依赖性乙酰辅酶A的形成

接下来,我们测试了阻止丙酮酸进入充满葡萄糖细胞中的线粒体是否模拟了葡萄糖提取的效果。α-氰基-β-(1-苯基吲哚-3-基)丙烯酸酯(UK5099)抑制线粒体丙酮酸转运(Halestrap,1976年). UK5099导致[U-13C] 葡萄糖(图3A). 柠檬酸m+0持续存在,柠檬酸m+2的时间依赖性积累延迟,与线粒体丙酮酸输入受损一致(图S1A). UK5099还改变了依赖谷氨酰胺的柠檬酸标记,导致[U-13C] 谷氨酰胺(图3A). 8小时后,柠檬酸盐m+6的分数含量增加了UK5099(图3B). m+4部分减少,但在几个小时内保持在池的约20%,表明未标记的乙酰辅酶A的贡献(图3B). 虽然UK5099抑制了柠檬酸总丰度,但增加了柠檬酸m+6的绝对丰度(图3C). α-氰基-4-羟基肉桂酸盐(CHC)是一种单羧酸盐转运抑制剂,也抑制线粒体丙酮酸盐转运,对柠檬酸盐标记有类似的作用(图3D图S1B). 虽然CHC也抑制乳酸分泌,正如其对单羧酸转运体-1(MCT1)的影响所预期的那样,但UK5099没有改变乳酸分泌,表明其在这些剂量下的代谢作用与MPC功能有关(图S1C). 我们还检测了来自同一患者的肺腺癌细胞(HCC4017)和非转化支气管上皮细胞(HBEC30)(Kim等人,2013年). 在转化细胞和非转化细胞中,UK5099提高了[U-13C] 谷氨酰胺(图S1D). 该药物对786-O肾癌细胞也有类似的作用,其中冯·希佩尔-林道(甚高频)肿瘤抑制剂导致慢性假缺氧状态,其特征是抑制葡萄糖氧化和增强还原羧基化(Metallo等人,2012年) (图S1E).

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阻断线粒体丙酮酸转运激活谷氨酰胺依赖的柠檬酸盐形成

(A) UK5099对[U柠檬酸盐标记的剂量依赖性影响-13C] 葡萄糖和[U-13C] SFxL细胞中的谷氨酰胺。

(B) 柠檬酸盐标记的时间进程-13C] 含或不含200μM UK5099的谷氨酰胺。

(C) [U培养细胞中总柠檬酸和柠檬酸m+6的丰度-13C] 含或不含200μM UK5099的谷氨酰胺。

(D) 在[U中培养6小时的细胞中柠檬酸的质量同位素-13C] 含或不含10 mM CHC或200μM UK5099的谷氨酰胺。

(E) [U培养6小时后沉默ME2对柠檬酸m+6的影响-13C] 谷氨酰胺。柠檬酸同位素的相对丰度是通过将质谱法测得的柠檬酸总丰度与每个样品的细胞蛋白进行归一化,然后乘以每个同位素的丰度分数来确定的。

(F) 沉默MPC1或MPC2对[U培养6小时后柠檬酸盐m+6形成的影响-13C] 谷氨酰胺。

(G) 不同MPC1基因型人原代成纤维细胞在[U培养后的柠檬酸同位素-13C] 谷氨酰胺。

数据是三种独立文化的平均值和标准差。*,p<0.05;**,p<0.01;***,p<0.001。

另请参见图S1.

接下来,我们试图了解TCA循环中间体如何在线粒体中转化为丙酮酸盐,从而使谷氨酰胺依赖性形成乙酰辅酶A。这可能涉及苹果酸酶(将苹果酸脱羧为丙酮酸)或线粒体磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PEPCK)(将OAA转化为PEP)。后者似乎不太可能发生,因为PEP转化为丙酮酸被认为主要发生在胞浆中。然而,苹果酸酶(ME2或ME3)的线粒体亚型可以产生丙酮酸脱氢酶(PDH)的局部丙酮酸池。据报道,当葡萄糖限制时,ME2向TCA循环提供丙酮酸(Pongratz等人,2007年),并且沉默ME2改变了肺癌细胞中TCA循环的代谢和生长(Ren等人,2014年). ME3 mRNA和蛋白在SFxL细胞中几乎检测不到。然而,沉默ME2使柠檬酸盐m+6的分数含量从[U-13C] UK5099治疗期间的谷氨酰胺,表明ME2参与了谷氨酰胺代谢途径(图3E).

最近报道了人类线粒体丙酮酸载体(MPC)的分子组成(Bricker等人,2012年;Herzig等人,2012年). 该载体由至少两个亚单位MPC1和MPC2组成,这两个亚基都是丙酮酸最大转运所必需的。基因编码的人类MPC1突变brp44升在乳酸酸中毒和神经发育异常患者中发现(Bricker等人,2012年;Brivet等人,2003年). 为了确定该载体的活性是否影响谷氨酰胺代谢,使用siRNA沉默MPC1和MPC2。抑制蛋白还原葡萄糖依赖性柠檬酸盐标记(图S1F)并从[U提高柠檬酸盐m+6-13C] 谷氨酰胺(图3F). 我们还测试了纯合子导致的中度或重度MPC1缺乏患者的原代成纤维细胞巴西卢比44LI突变(分别为L79H或R97W)。与健康对照组的成纤维细胞相比,MPC1缺乏患者的细胞显示出较高的柠檬酸m+6丰度分数([U-13C] 谷氨酰胺(图3G).

超极化抑制MPC的动力学分析13C类

为了获得UK5099对丙酮酸代谢影响的动态视图,用超极化[1培养细胞-13C] 丙酮酸。这使得代谢活动可以通过核磁共振以非常精细的时间分辨率进行监测(Golman等人,2006年). 用二甲基亚砜或UK5099处理细胞,并在超极化核磁共振管中培养[1-13C] 丙酮酸。为了最大限度地检测代谢产物,我们使用了一个降低核磁共振系统电子噪声的低温探针。在对照细胞中,两分钟后获得的光谱显示超极化转移13C从丙酮酸到乳酸和丙氨酸,这是葡萄糖代谢的两种厌氧产物(图4A). 这些活动需要丙酮酸导入细胞,并分别遇到乳酸脱氢酶(LDH)和丙氨酸氨基转移酶(ALT)。控制光谱还包含一个来自H的峰值[13C] O(运行),反映线粒体中PDH的活性(图4A)(Yang等人,2014年). 这三种产物分别出现在各个光谱中,可以观察到每个信号的时间演变(图4B). 累计13从[1导出的C信号-13C] 乳酸盐,[1-13C] 丙氨酸和H[13C] O(运行)表示为总数的一小部分13随时间变化的C信号(图4C). 用UK5099处理的细胞没有乳酸标记的显著改变,表明UK5099.不能防止超极化[1-13C] 丙酮酸进入细胞或用作LDH底物(图4B、C). 然而,两者都[1-13C] 丙氨酸和H[13C] 哦被UK5099几乎完全淘汰(图4B、C). H的消除[13C] O(运行)这是意料之中的,因为PDH存在于线粒体基质中。另一方面,ALT可以存在于两个隔室中。尽管ALT不需要氧气,但数据表明,大多数ALT活性需要线粒体丙酮酸导入这些细胞。事实上,UK5099抑制了细胞内丙氨酸的丰度和分泌(图4D). 在从细胞内池中分析的其他氨基酸中,天冬氨酸水平提高了大约四倍,其他氨基酸没有改变(图S2).

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阻断线粒体丙酮酸转运代谢效应的动力学分析

(A) 的总和13SFxL细胞超极化暴露2分钟后获得的C光谱-13C] 丙酮酸。共振为[1-13C] 丙酮酸(Pyr1),[1的水合物-13C] 丙酮酸(Pyr1-氢化物),[1-13C] 乳酸(Lac1),[1-13C] 丙氨酸(Ala1)和H[13C] O(运行)(碳酸氢盐)。

(B) 对照细胞和UK5099处理细胞中Lac1、Ala1和碳酸氢盐出现的时间演变。

(C) 相对13Lac1、Ala1和碳酸氢盐的C NMR信号。每个信号在整个采集过程中求和,并表示为总数的一部分13C信号。

(D) 对照细胞和UK5099处理细胞中细胞内和分泌丙氨酸的数量。

数据是三种独立文化的平均值和标准差。*,p<0.05;***,p<0.001。

另请参见图S2.

抑制线粒体丙酮酸输入诱导谷氨酰胺依赖性脂质合成

葡萄糖为脂肪酸合成提供碳。通常情况下,这是通过线粒体丙酮酸的输入,然后PDH依赖性转化为乙酰辅酶A,与OAA缩合生成柠檬酸盐,柠檬酸盐输出到细胞溶质中,然后裂解生成细胞溶质乙酰辅酶A-脂肪酸合成的底物。因此,抑制MPC应减少葡萄糖对脂肪生成的贡献。SFxL细胞在含有[U-13C] 葡萄糖和未标记的谷氨酰胺或未标记的葡萄糖和[U-13C] 谷氨酰胺。提取脂质并通过GC/MS分析,以确定每种底物对脂肪酸棕榈酸酯的贡献。无论是否存在UK5099,来自这两种营养素的碳都被转移到棕榈酸酯中(图5A). 然而,UK5099改变了葡萄糖和谷氨酰胺的相对贡献。在没有UK5099的情况下,葡萄糖和谷氨酰胺总计占用于生产棕榈酸酯的乙酰辅酶A的90%以上,其中葡萄糖占70%,谷氨酰胺小于30%(图5B). UK5099逆转了这种模式,因此谷氨酰胺衍生碳更加突出(图5B). 为了确定谷氨酰胺衍生脂肪酸的合成是否通过氧化或还原代谢进行,SFxL细胞在[5-13C] 谷氨酰胺或[3-13C] 谷氨酰胺(含或不含UK5099)和脂质的分析方法如下13C NMR以确定13脂肪酸中含有C。这种位置特异性定义了标签通过哪些途径到达脂肪酸,[5-13C] 谷氨酰胺和[3-13C] 谷氨酰胺主要报告还原代谢和氧化代谢。尽管脂肪酸被[5-13C] 谷氨酰胺,UK5099治疗后没有增强(图S3). 相比之下,[3中的标签-13C] 谷氨酰胺显著增加,表明氧化乙酰辅酶A的形成是UK5099诱导的谷氨酰胺依赖性脂肪酸标记增强的主要原因。

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抑制线粒体丙酮酸转运增强谷氨酰胺对脂肪酸合成的贡献

(A) 从[U培养细胞中提取的棕榈酸酯的质量同位素-13C] 葡萄糖或[U-13C] 谷氨酰胺,含或不含200μM UK5099。为了简单起见,只显示了均匀标记的同位素(m+2、m+4等)。

(B) 由葡萄糖或谷氨酰胺衍生的产脂乙酰辅酶A的分数,含或不含200μM UK5099。

数据是三种独立培养物的平均值和SD。***,p<0.001。

另请参见图S3.

线粒体丙酮酸输入抑制谷氨酸脱氢酶

考虑到UK5099处理后丙氨酸合成受到抑制,我们测试了阻断线粒体丙酮酸输入是否会影响谷氨酸转化为AKG的方式(图6A). UK5099适度增加谷氨酰胺消耗并抑制谷氨酸分泌,而氨分泌几乎翻了一番(图6B). 因为这些细胞释放的氨90%以上来自谷氨酰胺(DeBerardinis等人,2007年;Yang等人,2009年)这些变化表明GDH活性增强,以氨的形式释放谷氨酰胺的氨基(α)氮,以补充谷氨酰胺酶已经释放的大量氨基(γ)氮(图6A). 在丙氨酸合成减少的情况下,激活GDH将有利于生成AKG。为了测试这种可能性,对照SFxL细胞与[α-15N] 谷氨酰胺。在这个方案中,[α-15N] 谷氨酰胺转化为[α-15N] 谷氨酸,然后是[α-15N] 谷氨酸通过转氨酶或GDH转化为AKG。标记的铵(15全日空航空公司4+)GDH的释放可以通过GC/MS间接监测(Brosnan等人,2001年). 基本利率15全日空航空公司4+产生量低,并且被shRNAs进一步抑制总账1,编码GDH的基因(图6C). The rate of15全日空航空公司4+释放速度远远超过15N-丙氨酸释放(图6C). 在UK5099在场的情况下,发布15N-丙氨酸急剧下降15全日空航空公司4+释放量几乎增加了两倍,表明线粒体ALT向GDH的代谢转变。这种作用在表达总账1shRNA(图6C). UK5099也增强了15全日空航空公司4+释放[α-15N] HBEC30和HCC4017细胞中的谷氨酰胺(图S4A).

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线粒体丙酮酸转运受阻诱导谷氨酸脱氢酶

(A) 谷氨酸转化为AKG的两种途径。蓝色和绿色符号分别是谷氨酰胺的酰胺(γ)和氨基(α)氮素。缩写:GLS,谷氨酰胺酶;ALT/AST、丙氨酸氨基转移酶/天冬氨酸氨基转移酶;谷氨酸脱氢酶。

(B) 谷氨酰胺(Gln)、谷氨酸(Glu)和氨(NH)的利用和分泌4+)采用SFxL细胞,含或不含200μM UK5099。

(C) 分泌15N-丙氨酸和15全日空航空公司4+从[α-15N] 表达对照shRNA(shCtrl)的SFxL细胞中的谷氨酰胺或两种直接对抗shRNA的其中一种总账1(shGLUD1-A和shGLUD1-B)。

(D)左侧,在用200μM UK5099处理期间AMPK(S172)和乙酰辅酶A羧化酶(ACC,S79)的磷酸化。赖特,添加车辆或200μM UK5099后24小时ATP的稳态水平。

(E) 培养在[U-13C] 含或不含200μM UK5099的谷氨酰胺。

数据是三种独立文化的平均值和标准差。*,p<0.05;**,p<0.01;***,p<0.001。

另请参见图S4.

GDH对线粒体能量状态作出反应,因为ATP和GTP抑制GDH,ADP激活GDH(Li等人,2012年;Wanders等人,1983年). 为了测试UK5099是否改变了生物能量学,我们评估了ATP和能量传感器AMP-activated protein kinase(AMPK)的激活。UK5099降低了ATP水平,增强了AMPK及其靶乙酰辅酶a羧化酶-1的磷酸化,这两者都表明能量状态受损(图6D). 与AMPK信号的改变状态一致,UK5099治疗也增强了脂肪酸氧化(图S4B).

我们还测试了GDH是否有助于谷氨酰胺依赖性柠檬酸盐的形成。控制和总账1-沉默的SFxL细胞在含有未标记葡萄糖和[U-13C] 谷氨酰胺。如果没有UK5099总账1shRNA影响柠檬酸盐标记(图S4C). 然而,当用UK5099处理时,柠檬酸盐m+6的大量增加被总账1shRNA(图6E)表明GDH参与了癌细胞从谷氨酰胺中产生乙酰辅酶A和柠檬酸盐。

阻断线粒体丙酮酸输入揭示了细胞存活和肿瘤生长对GDH的依赖性

鉴于乙酰辅酶A和TCA循环在生物能量学和生物合成中的重要性,我们测试了当线粒体丙酮酸摄取受到抑制时,细胞是否更加依赖谷氨酰胺代谢。在SFxL细胞中,构成总账1沉默导致对UK5099的敏感性适度但显著增加(图7A). UK5099作为单一药物使用时适度抑制细胞增殖,几乎不会导致细胞死亡(图7B、C). 谷氨酰胺酶抑制剂BPTES和GDH抑制剂表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)也观察到类似的效果(图7B、C). 然而,联合使用UK5099和GLS或GDH抑制显著增加生长抑制和细胞死亡(图7B,C,第5章). 在缺乏Bcl-xL的亲代SF188细胞中,联合治疗的效果更为显著,基本上在48小时内杀死所有细胞(图7D). 因此,阻断线粒体丙酮酸输入导致生存和增殖对谷氨酰胺酶和GDH的依赖性增强。

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GDH在抑制线粒体丙酮酸转运期间维持生长和活力

(A) 用50μM UK5099处理shCtrl、shGLUD1-A和shGLUD1-B SFxL细胞3天后的相对生长抑制。

(B) 用50μM GDH抑制剂EGCG、10μM GLS抑制剂BPTES和200μM UK5099组合处理SFxL细胞的相对生长抑制3天。

(C) 通过台盼蓝染色评估B组处理的SFxL细胞的相对细胞死亡。

(D) 通过台盼蓝染色评估SF188细胞的相对细胞死亡,作为B组处理2天。

(E)左侧,经溶媒(生理盐水)、EGCG、CHC或EGCG加CHC处理的A549衍生皮下异种移植物的生长(每组4个)。数据为平均值和SEM。赖特,实验结束时采集的每个肿瘤提取物中的乳酸丰度。

(A)–(D)中的数据是三种独立文化的平均值和SD。NS,不显著;*,p<0.05;**,p<0.01;***,p<0.001。

另请参见图S5.

最后,我们测试MPC/GDH抑制是否损害肿瘤生长。虽然据我们所知,UK5099尚未用于体内肿瘤发生模型,但CHC可以用于小鼠,并在某些情况下改变肿瘤生长(赵等,2014). 将A549肺癌细胞移植到裸鼠的侧翼,并建立队列以接受载体、EGCG、CHC或EGCG和CHC。只有同时接受EGCG和CHC的肿瘤显示出生长减少(图7E). 因为CHC也是MCT1抑制剂,所以在所有肿瘤中都测量了乳酸水平。这些处理均未改变乳酸含量(图7E). 总之,这些结果表明了细胞代谢灵活性的一种模式,揭示了GDH在导致谷氨酰胺氧化生成柠檬酸的途径中的特定功能。

讨论

线粒体代谢作为能量来源和生物合成前体补充糖酵解。脂质、蛋白质和核酸的前体来自TCA循环。即使在营养受限或葡萄糖衍生丙酮酸向线粒体供应受损的情况下,维持这些中间体的库也是至关重要的。谷氨酰胺产生净量乙酰辅酶a和OAA的能力使其能够作为唯一碳源支持TCA循环活动,并在MPC功能或丙酮酸供应受损时对谷氨酰胺代谢产生更大的细胞依赖性。其他补体氨基酸也可以同时提供OAA和乙酰-CoA,在葡萄糖限制时为TCA循环提供灵活支持。虽然脂肪酸是一些癌细胞的重要燃料(Caro等人,2012年)MPC抑制可诱导脂肪酸氧化,该途径产生乙酰辅酶A,但不产生OAA。因此,脂肪酸需要与回补营养素一起氧化,以使循环发挥生物合成中心的作用。值得注意的是,强制MPC过度表达也会损害某些肿瘤的生长(Schell等人,2014),这表明最大生长可能需要将MPC活性保持在一个狭窄的窗口内。

尽管几十年来对线粒体丙酮酸转运进行了研究,但MPC的分子成分只是最近才有报道(Halestrap,2012年;Schell和Rutter,2013年). MPC1和MPC2在线粒体内膜中形成一种杂合物,任何一种成分的丢失都会损害丙酮酸的输入,导致柠檬酸盐的消耗(Bricker等人,2012年;Herzig等人,2012年). 缺乏功能性MPC1的哺乳动物细胞表现出正常的谷氨酰胺支持呼吸(Bricker等人,2012年)与我们的观察一致,谷氨酰胺在没有丙酮酸输入的情况下提供TCA循环。我们还观察到,分离的线粒体从谷氨酰胺中产生完全标记的柠檬酸盐,表明该途径作为一种独立的机制来维持TCA循环功能。最近,两类众所周知的药物意外地被证明能抑制MPC。首先,常用作胰岛素增敏剂的噻唑烷二酮类损害成肌细胞的MPC功能(Divakaruni等人,2013年). 其次,磷酸二酯酶抑制剂Zaprinast抑制视网膜和大脑中的MPC(Du等人,2013b). Zaprinast还诱导了天冬氨酸的积累,这表明乙酰辅酶a的缺乏削弱了从OAA启动TCA循环新一轮的能力;因此,OAA被转氨化为天冬氨酸。我们注意到癌细胞中也存在类似的现象,这表明UK5099导致乙酰辅酶a供应不足以避免OAA积聚的状态。与UK5099不同,Zaprinast不诱导谷氨酰胺依赖性乙酰辅酶A的形成。这可能与分离的视网膜依赖葡萄糖而非谷氨酰胺来提供TCA循环中间产物或视网膜用于保护谷氨酸免受氧化的精细系统有关(Du等人,2013年a). Zaprinast最近也被证明抑制谷氨酰胺酶(Elhammali等人,2014年)这将进一步减少谷氨酰胺对乙酰辅酶A库的贡献。

在葡萄糖缺乏的c-Myc表达淋巴瘤细胞中发现了与本文所述相似的途径(Le等人,2012年). 然而,据报道,这些淋巴瘤细胞利用更复杂的途径,其中用于产生柠檬酸的乙酰辅酶a是由胞浆中的ATP-柠檬酸裂解酶(ACL)生成的(Le等人,2012年). 我们证明,谷氨酰胺依赖性柠檬酸盐的形成可能发生在缺乏ACL的孤立线粒体中。这种差异不太可能与c-Myc有关,因为我们研究中使用的SFxL细胞也显示c-Myc依赖的谷氨酰胺代谢(Wise等人,2008年). 因此,可能存在从谷氨酰胺供应柠檬酸盐库的替代途径,而细胞内因子是否决定途径偏好尚待观察。

在营养丰富的培养基中,细胞可以获得丰富的丙酮酸以进行线粒体代谢。然而,在实际肿瘤营养有限的条件下生存可能需要细胞参与替代代谢途径,包括降解蛋白质以向TCA循环提供碳(Commisso等人,2013年). 这里描述的GDH依赖性途径可能在这种营养有限的条件下发挥作用,在这种条件下,葡萄糖不足以为线粒体输入提供大量丙酮酸。如果谷氨酰胺和/或谷氨酸是通过蛋白质降解获得的,GDH可以同时提供OAA和乙酰-CoA来维持TCA循环活性,而不考虑葡萄糖的可用性。与转氨反应不同,GDH不需要酮酸从谷氨酸中生成AKG,这在营养限制期间具有显著优势。这可能解释了为什么同时阻断GDH和线粒体丙酮酸转运会增强单独抑制这两种活性的生长抑制和细胞毒性作用。虽然CHC和EGCG在体内可能有多种作用,但有趣的是,在两种药物都没有单独作用的剂量下,结合这些抑制剂可以抑制肿瘤生长。值得注意的是,GDH对于一些谷氨酰胺依赖性细胞在标准培养物中的生长是可有可无的(Yang等人,2009年),但对体内Myc扩增肿瘤的生长很重要(Qing等人,2012). GDH有助于在限制营养获取期间碳流入TCA循环。

实验程序

试剂

2-氰基-3-(1-苯基-1H-吲哚-3-基)-2-丙烯酸(UK5099)、α-氰基-4-羟基肉桂酸(CHC)、表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)、GDP、ADP和丙酮酸钠来自Sigma。同位素标记的营养素来自剑桥同位素实验室。双-2-(5-苯基乙酰氨基-1,3,4-噻二唑-2-基)乙基硫醚(BPTES)来自约翰·霍普金斯医学院的津本高志。

细胞培养、细胞生长和活力

用逆转录病毒载体感染SF188胶质瘤细胞以表达人Bcl-xL(pBabe-Hygro-Bcl-xL),生成SFxL细胞。将SF188、SFxL、Hela、A549、786-O、Huh-7和人成纤维细胞保存在含有10%胎牛血清的DMEM中。HBEC30和HCC4017细胞在ACL4培养基中培养(Kim等人,2013年). 为了监测细胞增殖,将细胞以5000个/孔的速度接种在48周的平板中。第二天,用0.5 ml含有50μM UK5099或DMSO(最终0.1%v/v)的培养基补充细胞。72小时后,向每个孔中添加水(0.25 ml),并在−80°C下冷冻2小时。然后将细胞加热至室温,并在TNE缓冲液中添加0.5 ml 0.1μg/ml Hoechst 33258(2 M NaCl,10 mM Tris-HCl pH 7.4,1 mM EDTA)。使用平板阅读器测量荧光。为了测量细胞的存活率,细胞被台盼蓝染色并用血细胞仪计数。或者,0.5×106用PBS/4%BSA清洗细胞,并用FITC-结合Annexin-V抗体和碘化丙啶(PI)在0.4 ml染色缓冲液(10 mM HEPES,140 mM NaCl,2.5 mM CaCl)中染色2用流式细胞术检测Annexin-V阳性细胞和PI阳性细胞。

RNA干扰

SFxL衍生子线表达总账1shRNAs在前面有描述(Yang等人,2009年). 短干扰RNA(siRNA)寡核苷酸MPC1,MPC2、,甲基当量2从Dharmacon Inc.获得非靶向siRNA,在水中重组至20μM,并使用效应基因(Qiagen)转染。72小时后,使用6-cm培养皿中80-90%的融合细胞进行western blot和稳定同位素示踪分析。

代谢分析和稳定同位素示踪

使用电化学分析仪(BioProfile Basic-4分析仪,NOVA)测量葡萄糖、谷氨酰胺和谷氨酸。用酶法(Megazyme)测定氨含量。氨基酸通过HPLC测定(日立L8900)。通过将代谢物丰度的绝对变化归一化为细胞数量和时间来确定消耗/分泌率。TCA循环中间产物的稳定同位素示踪(Cheng等人,2011年)和氨(Yang等人,2009年)如前所述进行。To化验13在棕榈酸酯中富集C,细胞在含有[U-13C] 葡萄糖或[U-13C] 谷氨酰胺48小时,然后在0.4 ml 0.1%triton X-100中溶解。在甲醇:氯仿:水(2:1:1.4,v/v/v)中提取脂质。有机相在42°C下在氮气下蒸发,并在100°C下于2 ml甲醇:甲苯(4:1,v/v)中反酯化,其中含有0.01%的丁基羟基甲苯和15μl乙酰氯,持续1小时。样品冷却,5 ml 6%K2一氧化碳已添加。使用与安捷伦5975质量选择检测器联网的安捷伦6970气相色谱仪分析甲苯相。将从m+0到m+16的每种棕榈酸酯质量同位素转换为总库的百分比。通过回归模型计算脂肪生成乙酰辅酶a的分数富集。使用[U测量脂肪酸氧化-14C] 棕榈酸酯(Fediuc等人,2006年).

脂质核磁共振

SFxL细胞在150mm培养皿中培养至80%融合。该培养基含有25 mM葡萄糖和4 mM未标记谷氨酰胺[3-13C] 谷氨酰胺或[5-13C] 谷氨酰胺,含或不含200μM UK5099。24小时后,通过胰蛋白酶法收集每个条件下2个培养皿中的细胞,用PBS洗涤并重新悬浮在1ml 0.1%Triton X-100中。按照说明提取脂质(布莱和戴尔,1959年)在氮气下干燥,在180μl 90/10的CDCl混合物中重新配制/中国22并装入3mm核磁共振管中。核磁共振在配备10-mm1H(H)/13C双低温探头在15 K下工作。样品温度保持在27°C。这个13用双能级宽带质子去耦和NOE增强记录了C谱。获得的碳光谱如下:脉冲翻转角度,60°;重复时间,2s;在36 kHz的频谱宽度上,132768个点的采集时间为1.84 s。总Tr为3.84秒。氯代二氯甲烷77ppm的信号被用作化学位移基准。每个实验获得的总扫描数为4096。使用ACD NMR软件(加利福尼亚州多伦多ACD实验室)分析光谱。

ATP分析

电池(5×105)将其接种到6厘米的培养皿中并使其粘附。大约24小时后,用含有DMSO或UK5099(200μM)的2 mL完整DMEM替换培养基。再过24小时,在裂解缓冲液(10 mM Tris pH 7.5,100 mM NaCl,1 mM EDTA,0.01%Triton X-100)中对细胞进行裂解。将该裂解液按1:40稀释,并将25μl等分样品与75μl反应溶液混合,以进行ATP测量(Invitrogen A22066)。

分离线粒体

线粒体的制备基本上如所述(Pongratz等人,2009年)在4°C下,从八个150 mm的培养皿开始,培养皿中含有80–90%的融合SFxL细胞。新鲜线粒体颗粒在0.5 ml分析缓冲液(130 mM KCl、10 mM MOPS、1 mM MnCl)中重新配制2、2 mM磷酸钾、0.5 mM ADP、0.5 mMGDP、2 mMMgCl2,4毫米[U-13C] 谷氨酰胺和0.2 mM丙酮酸或[3-13C] 丙酮酸)。O(运行)2使用氧气监测仪水套氧电极(Hansatech)测定消耗量。通过培养线粒体进行同位素示踪1330°C下含C的介质,在加热块中以500 rpm搅拌。30分钟后,用0.5 ml甲醇终止培养。

蛋白质斑点

蛋白质裂解物在RIPA缓冲液中制备,并使用BCA蛋白质分析(Thermo Scientific)进行定量。蛋白质在4–20%的SDS-PAGE凝胶上分离,转移到PVDF膜上,并用抗GDH(Novus Biologicals)、β-actin、ME2(Sigma)、calnexin(Stressgen)、AIF(Santa Cruz Biotechnology)、GAPDH(Millipore)、ACL、总AMPK、磷酸-AMPK、磷酸-ACC(Cell Signaling)、MPC1(Abcam)和MPC2(Sigma)的抗体进行检测。

超极化13C-NMR波谱和数据分析

如前所述(Harrison等人,2012年),将细胞重悬于含有或不含有UK5099的新鲜培养基中,并保持在37°C。1.4 M[1超极化-13C] 如前所述,丙酮酸钠在牛津HyperSense偏振器(英国牛津仪器公司)中进行(Lumata等人,2012年). 使用4mL过热PBS通过自动过程溶解极化样品。溶解后8秒内,在烧杯中收集约4ml超极化液体(pH~7)。使用Bruker CryoProbe(Bruker Biospin,Billerica,MA)在14.1 T下立即进行核磁共振实验。200μl等分的超极化[1-13C] 丙酮酸被放置在5毫米核磁共振管的底部。将5000万悬浮SFxL细胞插入磁铁后,使用注射器将其注入核磁共振管,最终浓度为6 mM超极化[1-13C] 1 ml丙酮酸。采集排队,并且13使用重复时间为2秒的18度检查射频脉冲获得C谱。核磁共振数据使用ACD 1D核磁共振处理器(加拿大多伦多高级化学开发公司)和Igor Pro版本6(Wavemetrics Inc.,OR)进行分析。

异种移植物

动物程序是在UT西南IACUC的批准下进行的。A549细胞悬浮于RPMI(107/ml),与Matrigel(Becton-Dickinson)1:1混合,将100万个细胞植入6-8周龄男性皮下NCRNU公司老鼠。小鼠每天腹腔注射生理盐水或CHC等渗溶液(200μl中40μmol,pH调节至7.0)。在饮用水中提供0.5 mg/ml的EGCG。用电子卡尺测量肿瘤大小。为了测量乳酸,在安乐死后30秒内将肿瘤冷冻在液氮中。组织在研钵中的液氮下研磨。将大约100 mg的每个样品在聚乙烯中用1ml冷的80%甲醇均质,以提取代谢物。样品在4°C下以20000g离心10分钟。将颗粒重新悬浮在0.1 N NaOH中以测定蛋白质含量,并对上清液进行乳酸酶分析(瓦索,1991年).

补充材料

补充

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致谢

我们感谢Aron Jaffe对论文的批判性评价。Kumar Pichmani协助进行了涉及低温探针的超极化实验,Takashi Tsukamoto提供了BPTES。这项工作得到了N.I.H.(CA157996和RR02584)和德克萨斯州癌症预防和研究所(RP140021-P3和RP130272)的支持。C.T.H.得到了N.I.H.培训基金(5T32GM007062-38)的支持,A.T.W.得到了104万安娜基金会和儿童癌症研究基金的支持,M.A.C.得到了米兰翁贝托·维罗内西基金会的支持。

脚注

出版商免责声明:这是一份未经编辑的手稿的PDF文件,已被接受出版。作为对客户的服务,我们正在提供这份早期版本的手稿。手稿在以最终可引用的形式出版之前,将经过编辑、排版和校对结果证明。请注意,在制作过程中可能会发现可能影响内容的错误,适用于该期刊的所有法律免责声明均适用。

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