肝脏特异性敲除转酮醇酶TKT减缓肝癌发生的机制研究

Transketolase (TKT) is an important enzyme in the pentose phosphate pathway (PPP). TKT is upregualted in human liver cancer tissues when compared to adjacent non-cancerous liver tissues and required to maintain cell proliferation in human liver cancer cell lines. However, the role of TKT in liver carcinogenesis remains to be elucidated. We established the liver-specific TKT knockout mouse strain TKTfl/fl Alb-Cre. After inducing hepatocyte DNA damage using diethylnitrosamine (DEN) and promoting fatty liver, inflammation and liver carcinogenesis using high fat diet (HFD), we found that loss of TKT in liver not only reduced tumor incidence and delayed the progression from fatty liver to cirrhosis and liver cancer, but also increased liver cell death and decreased hepatocyte proliferation. Levels of ribose-5-phosphate, NADPH, serine and glycine are reduced in TKTfl/fl Alb-Cre livers when compared to controls. In order to elucidate the mechanism by which TKT regulates liver carcinogenesis, we aim to study 1) how TKT increases nucleotide biosynthesis to promote hepatocyte proliferation and decrease liver cell death; 2) how TKT regulates oxidative stress to promote hepatocyte proliferation and decrease liver cell death; 3) how TKT increases fatty acid biosynthesis to promote fatty liver formation and inflammation. Our study will not only further our understanding of how TKT promotes liver carcinogenesis by regulating anabolism and inflammation, but also will provide new targets for liver cancer prevention and treatment.

转酮醇酶TKT是戊糖磷酸途径的重要酶，肝癌中表达增加的TKT对于维持肝癌细胞增殖必不可少，但是TKT在肝癌发生中的作用不明。我们建立了肝脏特异敲除TKT的小鼠品系，使用二乙基亚硝胺（DEN）造成肝细胞DNA损伤，并通过高脂饮食加速脂肪肝形成和炎症反应从而促进肝癌发生。我们发现，与对照相比，肝脏特异敲除TKT小鼠肝癌发生减少，脂肪肝→肝硬化→肝癌的过程减缓，肝细胞死亡增加而增殖减少。TKT缺失不仅降低肝脏核糖-5-磷酸和NADPH水平，而且减少丝氨酸和甘氨酸合成。为了阐明TKT减缓肝癌发生的机制，我们将研究 1）TKT通过增加核苷酸合成而促进肝细胞增殖和减少细胞死亡的机制；2）TKT通过调控细胞氧化应激而促进肝细胞增殖和减少细胞死亡的机制；3）TKT通过促进脂肪酸合成而加速脂肪肝和炎症发生的机制。我们的研究将深入理解TKT通过合成代谢和炎症促进肝癌发生的作用和机制，并将为防治肝癌提供新靶点。

我们前期建立了肝脏特异敲除转酮醇酶（TKT）的小鼠品系，使用二乙基亚硝胺（DEN）造成肝细胞DNA损伤，并通过高脂饮食加速脂肪肝形成和炎症反应从而促进肝癌发生。与对照相比，肝脏特异敲除TKT小鼠肝脏脂肪累积、炎症反应和肝癌发生减少。但TKT调控肝癌发生的机制不明。.在该项目的资助下，我们使用DEN诱导小鼠急性肝细胞DNA损伤，发现TKT缺失的肝细胞中， DEN诱导的DNA损伤减少。代谢组学检测发现，在DEN诱导肝损伤的情况下，缺失TKT增加肝细胞5-磷酸核糖（R5P）水平，促进核苷酸从头合成。此外，缺失TKT导致肝细胞NADPH水平降低和ROS水平增加。进一步，我们发现外源添加核酸，能够减轻DEN诱导的DNA损伤、坏死和炎症。这项研究揭示肝细胞TKT缺失通过加速核苷酸合成增加基因组稳定性，抑制坏死和炎症，进而减少DEN诱导的肝细胞DNA损伤和肝癌发生，为肝癌的防治提供了新思路。标注该项目资助的通讯作者论文2019年发表于《Cancer Research》。.此外，为了研究TKT在脂肪代谢中的作用和机制，我们构建了成熟脂肪细胞特异敲除TKT的小鼠品系TKTfl/fl Adiponectin-Cre，发现在高脂饮食喂养下，与对照组小鼠相比，敲除鼠的体脂含量减少、肝脂肪变性减轻和能量消耗增加。我们进一步分析发现， TKT缺失的白色脂肪组织中戊糖磷酸途径代谢物水平增加，丙酮酸等糖酵解途径代谢物减少，脂肪分解和脂肪酸氧化活性增强，并且外源添加丙酮酸盐可以缩小TKT敲除与对照白色脂肪组织的脂肪分解活性差异。这项研究不但揭示了戊糖磷酸途径非氧化支路在脂肪组织糖脂代谢重塑中的重要作用，而且为临床治疗代谢性疾病提供了新思路和新策略。标注该项目资助的通讯作者论文2020年发表于《Diabetes》。.综上所述，我们不仅揭示TKT通过调控核苷酸合成影响基因组不稳定性和肝癌发生的机制；而且发现磷酸戊糖途径非氧化支路在代谢性组织糖脂代谢重塑中的重要作用。