线粒体在葡萄糖代谢调控肿瘤细胞死亡过程中的作用及其分子机制

Aerobic glycolysis, termed the Warburg effect, is a universal phenomenon in cancer cells, and it inefficiently produces energy. However, the benefit provided by aerobic glycolysis for proliferating cells still remains unclear. In addition, tumor glucose concentrations are frequently 3- to 10-fold lower than in non-transformed tissues, probably as a result of the high rate of glucose consumption by cancer cells and the poor tumor vasculature. How cancer cells adapt to frequent glucose deficiency remains to be explored. With our research platform that allows real-time monitoring cell death, apoptosis and necrosis, using breast cancer MCF-7 cells as the model we found that glucose deprivation alone induced necrosis in long time which can be promoted by the combination with TNF-α treatment. Glucose deprivation-induced necrosis is intensively regulated but does not share the mechanisms underlying necroptosis and pyroptosis. Mitochondria play a critical role in mediating glucose deprivation-induced necrosis. Our data show that cellular metabolism regulates cell necrosis by an unknown pathway. We already established screening platforms based metabolites or genes (including shRNA knockdown and sgRNA knockout pools targeting human genes), and have identified some metabolites and genes involved in the regulation of glucose deprivation-induced cell necrosis. We plan to further screen the involved metabolites and genes, and try to dissect the detailed molecular mechanism underlying how cellular metabolism regulates cell necrosis. The fulfillment of this project will be helpful to understanding the abnormal glucose metabolism in cancer cells.

肿瘤细胞的有氧糖酵解（Warburg效应）是个普遍现象，它代谢效率低下，因此生长活跃的肿瘤细胞对葡萄糖的消耗量大，而它们周围的血管系统通常又不健全，这使得肿瘤细胞经常处于缺乏葡萄糖的不利环境。肿瘤细胞为什么要进行有氧糖酵解，它们又是如何适应葡萄糖缺乏的呢？我们利用自己研发的可实时监测细胞凋亡和坏死的研究平台，以MCF-7乳腺肿瘤细胞为模型，发现长时间缺乏葡萄糖能导致细胞坏死而TNF-α能加速这种情况下的坏死，它受精密调控但并不利用最近发现的程序性坏死或炎性坏死的机制，线粒体代谢在其中起了重要作用，表明代谢通过一种未知的方式调控细胞坏死。我们建立了基于代谢物及基因（包括shRNA降表达及sgRNA基因敲除文库）的筛选平台，并鉴定出一些能调控缺乏葡萄糖导致细胞坏死的代谢物和基因，拟进一步深度筛选并用代谢组学及分子生物学等方法分析其中机制。本项目对我们理解肿瘤细胞中的异常葡萄糖代谢有重要意义。

葡萄糖分解代谢可通过糖酵解途径和线粒体氧化磷酸化有效地生成ATP，也可通过有氧糖酵解无效地生成ATP。现研究表明：肿瘤细胞中葡萄糖异常代谢显得尤为突出，主要进行有氧糖酵解，称之为Warburg Effect。事实上缺乏葡萄糖时，其他营养成分能在线粒体中高效地生成ATP甚至异生成葡萄糖，但葡萄糖缺乏终会导致肿瘤细胞死亡。这说明葡萄糖代谢在调控肿瘤细胞生存和死亡中发挥重要功能。在本项目中我们主要从化学反应的角度阐述线粒体在葡萄糖代谢调控肿瘤细胞生存和死亡这一过程中的作用，并阐述其中的分子机制。. 我们首先建立了实时监测细胞死亡的工具和平台，发现葡萄糖糖酵解是产生质子的主要来源。葡萄糖缺乏会引起质子的供应不足，但是线粒体电子传递链仍在不断的消耗质子，而且线粒体损伤会加剧质子的消耗，这就会引发代偿性的溶酶体质子流出和进而导致溶酶体的PH值上升。这种溶酶体碱化会引起细胞的凋亡或坏死，主要取决于溶酶体碱化的程度。我们进一步揭示Caspase-8能在构象改变的情况下直接结合溶酶体膜上的V-ATPase质子泵，从而阻止它的功能，使溶酶体不能维持内部的酸性环境，从而导致细胞死亡。外源快速过表达，Caspase-8不能完全快速成熟，能直接导致细胞溶酶体依赖的细胞死亡，当细胞质中的pH值改变时，也会诱导Caspase-8启动的溶酶体依赖的细胞死亡。而且这种死亡方式完全不用不同于凋亡，不需要Caspase-8的水解酶活性。此外，我们还发现糖酵解途径中的关键代谢酶PKM2能促进谷氨酰胺的还原代谢，通过代谢组学分析方法和稳定同位素标记代谢流技术，揭示了在乏氧条件下，谷氨酰胺通过还原代谢提供碳源，同时通过形成二氢乳清酸将氨排出细胞外。. 概括起来，我们利用自主开发的研究工具证明葡萄糖代谢维持的酸碱平衡可调控细胞死亡；鉴定出把酸碱微环境变化的化学信号转换成分子信号的关键分子； 揭示了糖代谢、线粒体和溶酶体之间的代谢关联，通过PKM2把肿瘤细胞葡萄糖的有氧糖酵解和谷氨酰胺还原代谢有机联系起来。这些发现拓展了葡萄糖代谢的生理功能，表明葡萄糖代谢在维持细胞内外的微环境也起了至关重要的作用；为通过改变酸碱微环境达到治疗肿瘤目的提供了理论依据和靶点。