mTOR调节ATP-柠檬酸裂解酶在肿瘤代谢中的作用和机制研究

Cancer cells are highly dependent on aerobic glycolysis (the Warburg effect) to sustain the malignant state of energy and macromolecules production. The mammalian target of rapamycin (mTOR)is a key metabolic sensor and plays a pivotal role in cancer metabolism. We previously reported that global targeting of mTOR via an ATP-competitive and highly specific mTOR kinase inhibitor can substantially reduce glucose metabolism in multiple cancer lines expressing dysregulated mTOR signaling pathway. Through a quantitative, SILAC-based phospho-proteomic analysis of MDA-MB-361 breast cacner cells, we recently identified ATP citrate lyase (ACL) as a candidate substrate of mTOR. Further studies found that ACL phosphorylation correlated closely with p-AKT(S473), an activity biomarker of mTOR complex-2 (mTORC2). ACL is a key enzyme linking glucose metabolism with de novo lipid synthesis and may thus serve as a functonal mediator of mTOR in cancer metabolic network. In this project, we propose to further define 1) whether ACL is a downstream phospho-substrate protein of mTOR and the molecular relationship between ACL and the two distinctive mTOR complexes, mTORC1 and mTORC2; 2) potential role of the mTOR-ACL circuitry in glucose-dependent de novo lipid synthesis, and its functional significance in cancer cell growth and susceptibility to mTOR inhibitors; 3)potential importance and feasibility of ACL as an efficacy biomarker of mTOR inhibitor therapy. This work will provide new insight into the mTOR signaling network in tumorigenesis and strategy to enhance clinical efficacy of mTOR inhibitor therapy in cancer patients. This work will also elucidate the molecular regulation of ACL in metabolic reprogramming in cancer cell as well as the potential of ACL as a new target for therapy development.

肿瘤细胞高度依赖于葡萄糖酵解来提供能量和生物大分子（沃伯格效应）。mTOR是感受和调节能量代谢的关键信号通路之一。我们前期研究针对mTOR异常激活的多种肿瘤细胞表明ATP-竞争性mTOR抑制剂能明显降低葡萄糖代谢效率,且与抗肿瘤疗效有关。我们采用了氨基酸稳定同位素标记（SILAC）技术对有高疗效的乳腺癌细胞进行mTOR网络磷酸化蛋白组学研究并发现：连接葡萄糖代谢和脂肪酸合成的关键酶ATP-柠檬酸裂解酶(ACL)是mTOR下游磷酸化蛋白；ACL的磷酸化与mTORC2标志物有关。本课题将确认：①ACL是否为mTORC2下游磷酸化功能蛋白；②mTOR调节ACL在肿瘤细胞脂肪酸从头合成、细胞生长中的重要性和作用机制；③ACL作为mTOR抑制剂疗效的新标志物和新药物靶标的可行性。本课题的研究可为mTOR在肿瘤发生发展中的新机制、mTOR抑制剂的治疗策略、探索ACL为肿瘤新靶标等方面提供新的理论依据。

国自然面上项目“mTOR调节ATP-柠檬酸裂解酶在肿瘤代谢中的作用和机制研究”已于2017年底顺利结题。本课题聚焦ATP-柠檬酸裂解酶（ACL）在乳腺癌的活化调控新机制，揭示该机制与mTOR信号通路的关系，为开发新型mTOR激酶抑制剂提供新的思路。..主要研究结果：1）我们首次发现在PIK3CAmut、HER2+乳腺肿瘤细胞株和肿瘤组织中ACL蛋白Ser-455位点的磷酸化（P-ACL）升高，且与乳腺癌的耐药相关；2）ACL磷酸化能直接提高ACL酶的催化活性，增加葡萄糖到脂质的合成速率，导致乙酰辅酶A (Acetyl-CoA) 量的上升。由于Acetyl-CoA是细胞内脂合成代谢的一个关键原料，这一失衡有助于肿瘤细胞的生长与存活；3）我们的研究表明P-ACL 是mTORC2激酶的直接磷酸化底物，而mTORC1不参与ACL磷酸化; 在PIK3CA突变、HER2基因扩增的乳腺癌细胞中mTORC2直接或间接激活P-ACL，而此调控作用在其它分子分型的乳腺癌细胞中不明显；4）在P-ACL高表达的乳腺癌细胞中，基因敲减mTORC2或ACL，或者表达去磷酸化点突变的ACL蛋白均能观察到显著的生长抑制效果，由此证明ACL是mTORC2在肿瘤中的重要功能靶标；5）我们课题组联合上海药物所开发了一个新型mTORC1/mTORC2双重抑制剂MTI-31，其机制有别于已经上市的mTORC1抑制剂。在上述ACL研究发现的基础上，我们针对MTI-31分别在PIK3CA突变、HER2基因扩增的乳腺癌，以及三阴性乳腺癌模型开展了药理药效学研究，该工作进一步论证了mTORC2与P-ACL的调控关系，并且表明MTI-31针对P-ACL高表达的PIK3CAmut、HER2+的乳腺癌模型有良好的治疗效果。..科学意义：综上研究结果阐明了mTORC2调控P-ACL的新机制在PIK3CAmut、HER2+乳腺癌中的重要作用；该类肿瘤对mTORC2-ACL信号通路的高度依赖性为新型mTOR靶向治疗的适应症遴选提供了依据。..相关科研成果：本课题的研究内容和结果已形成了3篇SCI论文。本课题的实施还对国内、国际专利各1项（均已授权，转让金额 1.3亿元）提供了支持，参与开发了一个1.1类候选新药 （新型mTORC1/mTORC2抑制剂），于2016年进入临床试验。..人才培养：本课题培养了已毕业博士2名。