人结直肠癌中丝氨酸合成通路的代谢调控机制研究

Metabolic reprogramming has been proposed to be a hallmark of cancer. Most tumors exhibit increased glucose metabolism to lactate, yet the extent to which glucose-derived metabolic fluxes are used for alternative processes is poorly understood. We have reported the metabolic profiling of tissue samples between 127 rectal cancer subjects and 43 normal controls. Moreover, we summarize the related metabolic pathway of rectal cancer based on the modified metabolites. Surprisingly, we find a branch of the glycolysis-the serine biosynthetic pathway change obviously, which is consistent with the international research focusing on the metabolic regulation. So in this project, we focus on this pathway and find out the importance metabolic enzymes PSAT1, SHMT1 and SHMT2. The serine and glycine metabolic pathway play an important role in cancer cell rapid proliferation. PSAT1, SHMT1 and SHMT2 are probably as the key regulatory enzymes in vitro and in vivo experiments. Therefore, this project is focused on the regulation of metabolic enzymes. Combined with previous literatures, we want to find out how CRC cell activate the serine synthesis pathway through ATF4 and G9A. And also we will identify the regulation mechanism between serine and PKM2. As a result, we want to establish a complete metabolic regulatory network in CRC. Our work will not only get a major breakthrough in the underlying mechanism study of tumor metabolic regulation, but also shed light on the novel strategies and targets for CRC cancer therapy in the future.

代谢重编程是肿瘤的标志之一，大多数肿瘤表现出糖酵解效应的增强，而由糖酵解所衍生的代谢旁路的研究却知之甚少。课题组先前检测了127例直肠癌组织和43例对照组织的代谢谱变化，总结了相关的代谢通路图，发现糖酵解的支路-丝氨酸合成通路发生了较明显的变化，并且筛选出了其中起关键调控作用的代谢酶-磷酸丝氨酸氨基转移酶（PSAT1）和丝氨酸羟甲基转移酶（SHMT1/SHMT2），体内、外实验都证明其具有关键的调控作用。本研究以代谢酶的调控为切入点，探讨ATF4和G9A是通过怎样的方式来调控关键酶从而激活Serine合成通路，控制Serine的生成；Serine和PKM2之间又有怎样的调控方式，从而控制葡萄糖到底是通过何种途径为肿瘤细胞的生长提供能量和前体物质。通过以上研究，明确结直肠癌发生发展中代谢变化调控及相关分子机制，找出新的代谢靶点，为个体化医疗及小分子抑制剂的开发提供理论支持。

2018年最新全球肿瘤流行病统计数据显示，结直肠癌在全球范围内上升为第3位最常见恶性肿瘤，其代谢调控机制的研究受到越来越多的关注。课题组先前检测了127例直肠癌组织和43例对照组织的代谢谱变化，总结了相关的代谢通路图，发现糖酵解的支路-丝氨酸合成通路发生了较明显的变化，并且筛选出了其中起关键调控作用的代谢酶-磷酸丝氨酸氨基转移酶(PSAT1)和丝氨酸羟甲基转移酶(SHMT1/SHMT2)。本研究以代谢酶的调控为切入点，首先探讨了其上游的调控机制，根据实验设计，我们首先验证ATF4和G9A是通过怎样的方式来调控关键酶从而激活丝氨酸合成通路，结果表明ATF4和G9A二者之间相互并没有影响，并且在结直肠癌细胞中只有G9A影响了靶基因PSAT1的表达。生物信息学统计以及临床样本分析显示，G9A在CRC组织中异常高表达。采用siRNA干扰和小分子抑制剂的方法抑制G9A的表达，明显降低了CRC细胞的体外增殖、侵袭和迁移能力。随后我们利用慢病毒筛选了G9A稳定低表达的细胞株，体外试验与上述结果保持了一致性，并且荷瘤小鼠实验表明G9A低表达的实验组肿瘤的大小及重量均小于对照组，说明沉默G9A抑制了CRC细胞的体内增殖。通过染色质免疫共沉淀实验, 我们发现抑制G9A后PSAT1启动子区的一甲基化水平下降，说明G9A很有可能是通过调节PSAT1的一甲基化水平来激活其转录，所以一旦G9A的表达降低，PSAT1的表达也就随之降低。接下来我们进行了其下游通路的验证，沉默PSAT1后，明显导致细胞的G1期延长，S期下降，Cyclin D1的表达量也明显降低，说明降低PSAT1的表达会引起细胞分裂周期的G1期阻滞。Western blot结果显示敲低PSAT1的表达后，mTOR、P70S6K的磷酸化水平都降低，提示抑制PSAT1可能激活了mTORC1通路。总之，通过以上研究，我们明确了结直肠癌发生发展中丝氨酸合成通路的代谢调控机制，找出了新的代谢靶点，为个体化医疗及小分子抑制剂的开发提供了实验支持。