肝癌干细胞谷氨酰胺代谢重编程的感知调节机制及干预策略研究

HCC stem cells are considered to be the cause of recurrence and metastasis of HCC. However, there is still no effective way to inhibit HCC stem cells. The research progress in the field of metabolism provides a new idea for clearing the liver cancer stem cells. Gln (Gln) is the most abundant free amino acid in the body. It not only provides the carbon source for the energy metabolism of tumor cells, but also provides a nitrogen source for the synthesis of biological macromolecules such as proteins. It is crucial for maintaining tumor growth. We found that liver cancer stem cells are resistant to Gln deficiency in the tumor microenvironment characteristics, suggesting that inhibition of exogenous Gln uptake can not effectively inhibit liver cancer stem cells. We further found that liver cancer stem cells can maintain their metabolic survival and self-renewal by enhancing Gln synthase (GS) -mediated endogenous Gln synthesis, and thus we speculate that targeting GS combined with exogenous Gln blockade can effectively inhibit liver cancer stem cells. Further more, we will explore new strategies to prevent the recurrence and metastasis of hepatocellular carcinoma by combined Gln metabolism in the tumor-bearing mice, hepatocellular carcinoma-bearing rabbits and patients with hepatocellular carcinoma (PDX) model.

肝癌干细胞被认为是导致肝癌治疗后复发转移的根源，但目前尚缺乏抑制肝癌干细胞的有效方法。代谢领域的研究进展为清除肝癌干细胞提供了新思路。谷氨酰胺(Gln)是体内含量最丰富的游离氨基酸，其不仅为肿瘤细胞能量代谢提供碳源，还能为其蛋白等生物大分子的合成提供氮源，对维持肿瘤的生长至关重要。我们前期发现，肝癌干细胞具有耐受肿瘤微环境中Gln缺乏的特性，提示抑制外源性Gln摄取不能有效抑制肝癌干细胞。我们进一步发现肝癌干细胞可通过增强Gln合成酶（GS）介导的内源性Gln合成维持其代谢应激下的存活和自我更新，由此我们推测靶向GS联合外源性Gln阻断的方法可以有效抑制肝癌干细胞。本项目将在此研究基础上，进一步阐明肝癌干细胞感知微环境中Gln不足而增强GS表达的调控机制，并在肝原位荷瘤兔、荷瘤小鼠以及病人肝癌组织移植(PDX)模型中探索联合Gln代谢干预预防肝癌复发和转移的新策略。

肝癌是全球排名第二的最致命恶性肿瘤，虽然早期肝癌患者可以通过手术得以根治，但大多数患者确诊时已处于中晚期，只能选择放化疗或靶向用药等治疗手段。但临床统计研究显示，现有的联合治疗方案对患者的预后改善有限，且常出现肿瘤转移和复发。因此，深入探究肝癌发生发展的机制，寻找和开发有效的抗肝癌药物是目前临床研究的重要方向。在肿瘤中，谷氨酰胺通过调节生物产能、提供碳源和氮源、调节细胞内氧化还原稳态等方式维持肿瘤细胞的快速增长。在某些情况下，肿瘤细胞对谷氨酰胺的高需求导致“谷氨酰胺成瘾”的表型。但也有证据表明，肿瘤中有些细胞可以在谷氨酰胺严重限制的微环境中存活。肿瘤干细胞是肿瘤组织中具有干细胞样特征的细胞亚群，其具有产生全部类型癌细胞的能力，被认为是肿瘤异质性、复发、转移和治疗抵抗的主要驱动因素之一。近年来，研究发现肿瘤干细胞的代谢特征发生了显著改变，这可能是其维持干性特征的重要机制。因此，靶向肿瘤干细胞特有的代谢特征，可能是提高抗癌疗法有效性的新策略。在我们前期的研究中发现，肝癌干细胞可以在谷氨酰胺缺乏的环境中存活，并维持其干性特征。在该项目研究中我们主要取得了以下发现：（1）肝癌干细胞在谷氨酰胺缺乏的环境中通过上调谷氨酰胺合成酶（GS）来维持其干性特征；（2）谷氨酰胺缺乏激活mTORC2调控GS表达影响肝癌干细胞在谷氨酰胺缺乏下的存活和自我更新；（3）抑制mTORC1/2可以增强谷氨酰胺饥饿疗法的作用。综上所述，我们发现在肝脏肿瘤组织的坏死区域存在能够耐受谷氨酰胺缺乏的肝癌干细胞。在机制层面揭示了谷氨酰胺缺乏激活mTORC2信号通路，通过促进GS去乙酰化修饰反应，稳定GS表达，从而调控肝癌干细胞存活和干性维持。我们的研究为开发靶向肝癌干细胞代谢特征的治疗策略提供了新的理论依据