Aurora-A激酶结合丙酮酸激酶PKM2协调分裂期进程和能量代谢的机理研究

Disorders in cell division cycle cause diseases e.g. tumor. An error-free cell division requires coordination between the regulation of cell cycle progression and metabolism. However, little is known about the crosstalk between these two activities. In the pilot study, we found that the rate-limiting enzyme in glycolysis, PKM2, interacts with the mitotic kinase Aurora-A. Their interaction shows a cell cycle dependent manner and correlates with the kinase activity of Aurora-A. In-vitro kinase phosphorylation assay and mass spectrometry results indicate PKM2 is phosphorylated by Aurora-A. These results imply Aurora-A kinase may regulate glucose metabolism through phosphorylating PKM2 and this interaction may facilitate the mitotic progression. In this study we will further explore the spatial and temporal interaction between these two proteins as well as their interaction pattern. The functional alterations of each protein will be examined respectively upon association. We will also evaluate the significance of the interaction between Aurora-A and PKM2 in cell proliferation and tumor progression. We expect to reveal novel crosstalk between the regulation of cell division and energy metabolism, and its functions in tumor progression.

细胞分裂周期的异常在高等动物中会导致肿瘤等疾病。细胞周期的顺利进行需要能量代谢通路的配合和协调，但目前对二者的相互调控方式和机理所知甚少。申请人在前期研究中发现糖代谢中关键节点蛋白丙酮酸激酶PKM2与有丝分裂期的重要激酶Aurora-A(AurA)直接相互作用，它们的结合与细胞周期以及AurA激酶活性相关。体外磷酸化和质谱结果证明AurA可以磷酸化PKM2的多个丝/苏氨酸位点。初步研究还发现PKM2的丙酮酸激酶活性与AurA的激酶活性及细胞周期相关。这些结果提示细胞可能通过AurA对PKM2的磷酸化来调控能量代谢通路，以保证细胞分裂的顺利进行。在本项目中，我们拟解析AurA与PKM2相互作用的方式和时空关系，明确两个分子相互结合对各自功能的影响，阐明其相互作用对细胞分裂和代谢活动的调控及其生理、病理意义。本研究可望发现细胞分裂与能量代谢交互调控的新通路，并揭示其在肿瘤发生发展中的作用。

Aurora-A是细胞分裂周期的关键激酶，在中心体的成熟和分裂期两极纺锤体的形成中都有重要的作用。Aurora-A在多种肿瘤中拷贝数扩增或过量表达，其上调与肿瘤不良愈后和耐药产生都有显著的相关性。因此Aurora-A被认为是一个关键的癌基因，对其促癌和介导耐药的机制也有一些报道，但是这个激酶是否参与细胞增殖过程中的代谢调控还不清楚。我们前期的工作发现，Aurora-A可以跟糖酵解中的代谢酶PKM2相互作用，协调肿瘤的增殖过程中的代谢信号。本课题中我们深入揭示Aurora-A调控PKM2活性的机理和生理功能，以及这条通路的病理意义。肿瘤增殖中经常会面临的营养匮乏的压力，我们发现丝氨酸和甘氨酸的缺乏可以造成多种肿瘤细胞合成代谢通路降低，还原性代谢产物减少，而诱发肿瘤细胞中活性氧ROS的积累。在这种条件下，Aurora-A激酶的活性上升，并促进其与PKM2相互作用。Aurora-A可以磷酸化PKM2第45位的苏氨酸，抑制PKM2四聚体的形成，降低PKM2的酶活。由于氨基酸缺乏可以使细胞对葡萄糖摄取加快，因此PKM2酶活下降可以使更多的糖酵解中间产物进入糖酵解的支路，包括丝氨酸合成通路和磷酸戊糖通路。而这种代谢重编程可以帮助肿瘤细胞在营养匮乏的情况下，有效的分配葡糖糖来源的能量和物质的分配，从而继续增殖。阻断PKM2 T45位的磷酸化可以在体外和体内有效地抑制肿瘤的增殖。 我们还证明了Aurora-A对PKM2的调控对细胞分裂的进展没有明显的作用。本研究为联合靶向Aurora-A与代谢酶的治疗提供了新思路。