GLS参与肿瘤生长调控的机制研究

Accelerated glutamine metabolism is one of the key hallmarks of cancer cells. In most cancer cells, after being transported to cells , glutamine not only provides ATP, but also acts as precursor for the synthesis of many amino acids, proteins and other biologically important molecules, and provides NADPH and GSH to maintain redox homeostasis. Although pathways that mediate the synthesis or breakdown of glutamine have been generally elucidated, how these pathways are precisely regulated was largely unknown. We previously found that glutamine depletion induced JNK activation and cell death, and this process was predominantly downregulated by knockdown of GLS. Based on our current preliminary data, we aim to investigate the role of GLS in the modulation of cancer growth. The proposed work will make a major contribution to the understanding of the molecular mechanisms for the regulation of glutamine metabolism as well as the pathogenesis of cancer, ultimately providing new therapeutic avenues for the prevention and treatment of cancer.

异常增长的谷氨酰胺代谢是肿瘤细胞生长的重要特征之一，在大部分肿瘤中，谷氨酰胺的代谢不仅能够为肿瘤细胞的增殖提供给能量；还为其提供大量的中间代谢产物用于大分子物质的合成，包括脂类，蛋白质和核苷酸；同时，它在维持细胞的氧化还原稳态中也有重要的作用。尽管谷氨酰胺的代谢通路已经被基本解析，其具体的调控机理的阐述还处于初步阶段。我们前期的研究发现，谷氨酰胺的饥饿处理能够导致细胞JNK磷酸化水平的显著上调，并且引起细胞凋亡，通过敲低细胞的谷氨酰胺酶GLS能过显著的降低JNK的磷酸化水平以及细胞凋亡的比率。这些证据提示我们GLS在参与谷氨酰胺的代谢调控肿瘤生长中可能发挥着十分重要的。我们拟应用分子生物学、生化重组和细胞生物学方法，结合小鼠模型和细胞实验，研究GLS调控肿瘤细胞生长的分子机制，加深我们对谷氨酰胺代谢调控方式的认识，为我们进一步理解肿瘤生长的发生机理做出贡献。

谷氨酰胺是一种“条件性必需氨基酸”。快速生长和增殖的细胞对谷氨酰胺的需求远超其自身所能合成的速度。因此，尽管哺乳动物细胞可以通过转氨基作用合成谷氨酰胺，代谢旺盛的细胞仍需要通过吸收外源的谷氨酰胺，以提供其生长和增殖所需的碳源、氮源、能量和还原力等。谷氨酰胺参与了细胞中的多个代谢途径，对于维持细胞代谢稳态有着至关重要的作用。谷氨酰胺酶（GLS1）作为谷氨酰胺酵解途径的限速酶，是目前非常热门的肿瘤药物靶点之一。大量的研究报道和药物研发集中于通过抑制GLS1催化活性从而抑制谷氨酰胺酵解途径，以期望达到治疗肿瘤的目的。然而，目前对于细胞处于谷氨酰胺缺失状态所产生的细胞代谢应激调控还没有被研究得很透彻。在本项目研究中，我们发现谷氨酰胺的缺失也能够激活JNK。进一步的研究，我们发现谷氨酰胺缺失引起的JNK激活是依赖于它的上游激酶MKK4和MKK7的；另外敲低谷氨酰胺酶（GLS1）而非其他相关代谢酶的表达能够抑制JNK的激活。通过研究我们发现GLS1能够与MKK4，MKK7有相互作用，并且这种相互作用在谷氨酰胺饥饿的情况下得到了加强。敲低GLS1的表达能够抑制谷氨酰胺饥饿增强的JNK与MKKs之间的相互作用。无论敲低MKKs，还是敲低GLS1均能够降低谷氨酰胺饥饿引起的细胞死亡。因此，我们认为谷氨酰胺饥饿能够诱导GLS1和MKKs，JNK形成一个复合体，从而导致JNK的活化，进而引起细胞凋亡。这些发现为我们治疗癌症提供了新的思路。此外，我们还发现GLS1参与介导谷氨酰胺缺失引发的线粒体融合，维持细胞代谢稳态。细胞通过GLS1能够直接感知低的谷氨酰胺水平，而不是通过感应其下游的其他代谢产物，这让我们对细胞感知代谢环境改变有了更深刻的理解。我们的研究结果阐释了GLS1除其代谢酶功能之外，还能作为一个信号分子，感知谷氨酰胺水平，调控线粒体动态和代谢稳态，加深我们对线粒体形态和代谢稳态调控机制的认识，为线粒体相关代谢性疾病及癌症的预防和治疗提供新的思路。