潘超云/姚书忠/刘军秀Cell Metabolism：揭秘酪氨酸分解代谢调控卵巢癌化疗敏感性的机制
生命科学
Life science
2023年10月26日，中山大学潘超云/姚书忠/刘军秀团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Metabolism在线发表了题为“Tyrosine catabolism enhances genotoxic chemotherapy by suppressing translesion DNA synthesis in epithelial ovarian cancer”的研究论文。利用卵巢癌疾病模型，该团队首次发现酪氨酸分解代谢显著增强化疗效果，并揭示酪氨酸代谢产物富马酸，通过抑制跨损伤DNA合成（translesion DNA synthesis, TLS），促进基因毒性化疗药物敏感性的分子机制，为临床上应用膳食酪氨酸改善化疗效果提供了重要理论依据。
中山大学卵巢癌研究团队潘超云副教授，姚书忠教授和刘军秀教授是本文的共同通讯作者。团队副研究员李洁医师是本文的第一作者兼共同通讯作者，硕士生郑翠苗和博士生麦秋文是共同第一作者。
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以基因毒性药物为基础的化疗，是临床应用最为广泛的癌症疗法。然而，在不同的患者以及治疗的不同阶段中，经常会观察到化疗药物敏感性的变化。临床上迫切需要更好地了解基因毒性化疗敏感性的生物学基础，为患者提供精准的治疗策略。近年来的研究发现氨基酸代谢对癌症患者预后有重要影响。例如，甲硫氨酸代谢显著影响肿瘤进展，减少膳食甲硫氨酸或可有效抑制肿瘤生长，并增强抗肿瘤免疫。越来越多的研究表明，以氨基酸代谢为靶点具有改善癌症治疗的巨大潜力。然而，如何利用氨基酸代谢途径来改善化疗效果在很大程度上仍有待探索。
该团队以卵巢癌为主要疾病模型，针对上述课题开展了系统研究。研究人员首先利用氨基酸代谢相关基因shRNA文库进行筛选，发现干预酪氨酸分解代谢能够抑制基因毒性化疗药物造成的DNA损伤。富马酸乙酰乙酸水解酶（fumarylacetoacetate hydrolase，FAH）催化酪氨酸分解通路的最后一步反应，而敲低FAH显著降低化疗药物诱导的DNA损伤与细胞凋亡。研究人员利用TCGA数据库和卵巢癌患者来源的样本进行了临床相关性分析，发现肿瘤细胞内FAH表达水平与化疗敏感性密切相关。
研究人员随后通过多种分子和细胞生物学手段发现，基因毒性药物导致卵巢癌肿瘤细胞发生系统的代谢重编程，表现为：细胞内活性氧水平显著升高；线粒体有氧氧化受到抑制，葡萄糖大量无氧氧化并生成乳酸；谷氨酰胺通过谷氨酰胺分解作用（glutaminolysis）补充TCA循环代谢中间产物来促进合成代谢，并发生谷氨酰胺还原羧化（glutamine carboxylation），这些谷氨酰胺代谢相关途径所产生中间代谢产物富马酸也主要出现在胞浆和线粒体内；而FAH介导的酪氨酸分解代谢是补充细胞核内富马酸库（nuclear fumarate pool）的主要来源。化疗压力下肿瘤细胞内活性氧水平的升高，导致FAH M308位点发生甲硫氨酸残基氧化而大量入核，细胞核内的FAH被招募到染色质上并产生富马酸。分子动力学模拟及体外生化实验显示，FAH产生的富马酸可以直接结合到REV1 R516位点，抑制REV1与REV7相互作用，而导致TLS受到抑制。
FAH表达在卵巢癌肿瘤组织中有显著下调趋势，并且随疾病进展持续下降，可能导致肿瘤细胞内酪氨酸分解代谢流下调而降低化疗敏感性。研究人员利用卵巢癌小鼠模型，发现在饮食中补充酪氨酸，能显著提高化疗效果，并降低化疗抵抗的风险，尤其是针对FAH低表达的肿瘤。
该工作发现了酪氨酸分解代谢调控化疗敏感性的新机制；揭示了化疗压力下，卵巢癌肿瘤细胞内FAH代谢产物富马酸通过在核内结合REV1而抑制了跨损伤DNA合成；并提出了通过添加膳食酪氨酸改善卵巢癌患者化疗的新思路，值得进一步临床试验验证。
该研究得到科技部“生育健康及妇女儿童健康保障”重点专项项目、国家自然科学基金青年面上项目和青年项目资助。
作者专访
Cell Press细胞出版社公众号特别邀请潘超云副教授代表研究团队接受了专访，请他为大家进一步详细解读。
CellPress：
为什么以卵巢癌为主要疾病模型开展研究？
潘超云副教授：
卵巢癌是致死性最高的女性生殖系统恶性肿瘤，临床上依赖以基因毒性药物为主的化疗。
卵巢癌肿瘤细胞多见DNA损伤修复机制缺失、DNA复制压力大、基因组不稳定等分子特征，对基因毒性化疗药物较为敏感。基于上世纪90年代初多次大型临床试验的积极结果，铂类化疗被确立为卵巢癌的一线疗法，卵巢癌患者五年生存率也随之从不到10%，突破性达到40%左右；但之后到迄今为止的20多年里，卵巢癌的五年生存率再也没有大幅提高。大部分卵巢癌患者在初次手术+含铂化疗后的3年内，约70%会复发，而且再次化疗，患者也可能反复地复发或进展，化疗敏感性显著下降。并且，部分卵巢癌患者原发性对于基因毒性药物化疗不敏感，预后极差。如何改善卵巢癌患者的化疗敏感性，一直以来都是困扰临床的难题，迫切期待新的手段出现。
CellPress：
本次研究发现酪氨酸分解代谢通过抑制跨损伤DNA合成（TLS）而提高化疗敏感性，TLS为什么和卵巢癌基因毒性化疗敏感性有密切联系？
潘超云副教授：
由于基因毒性药物造成的广泛复制障碍，导致模板依赖的高保真DNA聚合酶不能进行DNA复制，进而引起S期大量的DNA复制叉坍塌与双链断裂（DSB），诱导肿瘤细胞死亡。为了解决这种DNA复制压力，细胞可利用非模板依赖的低保真DNA聚合酶，进行跨损伤DNA合成（TLS），促进S期DNA完成复制。TLS以牺牲DNA复制的高保真性，避免了化疗药物诱导的大量DNA复制叉坍塌与DSB出现，显著促进化疗抵抗。TLS也是快速增殖的肿瘤细胞在S期控制DNA复制压力的关键。但是，与DNA同源重组修复不同的是，TLS是一种DNA损伤耐受机制，本质上是诱导DNA突变的，即使在肿瘤细胞内，都受到复杂且严密的调控。本研究发现化疗诱导的氧化应激压力下，由FAH介导的酪氨酸分解代谢，可通过在细胞核内产生富马酸而抑制TLS；而卵巢癌肿瘤细胞通过下调FAH而在一定程度上解除这种抑制，增强TLS，降低化疗敏感性，且由于TLS所引起的突变也是肿瘤细胞形成获得性耐药的重要基础，因此TLS的增强也会促进肿瘤耐药复发。
CellPress：
本项研究揭示了哪些肿瘤细胞代谢特点？能不能从代谢的角度解释为何FAH需要进入细胞核内产生富马酸？
潘超云副教授：
在本研究中，我们发现葡萄糖和谷氨酸的代谢途径中虽然可以生成富马酸，却并不是化疗压力下细胞核内富马酸补充的主要途径。我们也观察到，即使外源直接补充可进入细胞的修饰型富马酸，在化疗产生的代谢压力下，这些富马酸也主要进入线粒体与胞浆内的中心碳代谢与胞浆脂质合成途径，而较少进入细胞核。但化疗诱导的代谢压力导致FAH从细胞浆内进入细胞核内，进而在核内产生富马酸。
有意思的是，化疗压力下FAH入核，既不是核内富马酸补充的“必要条件”，也不是“充分条件”，但却是关键条件。首先，富马酸是可以通过被动扩散经核孔而进入细胞核，但是由于化疗压力下，线粒体和胞浆中主动需求富马酸的代谢途径活跃，导致富马酸通过被动扩散进入细胞核效率降低，而FAH进入细胞核产生富马酸，就可以避开线粒体和胞浆中活跃的富马酸相关代谢途径，因此有效提高了核内富马酸的补充。其次，FAH入核其实不能确保所产生富马酸一定留在核内。FAH在催化产生富马酸的同时，也产生乙酰乙酸；我们发现在化疗压力下，FAH产生的乙酰乙酸并未富集在核内，而主要转变成胞浆内的b-羟基丁酸，这种代谢转变有利于NAD+的再生。而FAH产生的富马酸则有可能通过结合REV1而聚集在细胞核内，因此脱离了细胞浆以及线粒体内的代谢途径，发挥了抑制TLS的非经典调控功能。
CellPress：
本项研究有哪些临床应用前景？
潘超云副教授：
L-酪氨酸是人体必需的芳香族氨基酸，主要依赖从食物中直接或者间接（通过苯丙氨酸）获取，大豆类等食物是酪氨酸的优质来源。酪氨酸是体内多巴胺、去甲肾上腺素、肾上腺素神经递质合成的前体，对支持大脑愉悦、降低焦虑、改善抑郁症、调控注意力都具有非常重要功效，已被认为是可预防老年痴呆症有效的活性物质。而我们的研究提示卵巢癌患者在接受化疗以后，可较为方便地通过食用富含酪氨酸的食物，提高化疗敏感性并减少耐压复发。
而酪氨酸补充剂本身作为药物在临床上已经有成熟的应用，研究者团队已联合多中心开展临床试验准备，评估酪氨酸补充剂在卵巢癌患者化疗中的应用方案以及效果，为研究成果的转化打下关键基础。
作者介绍
潘超云
副教授
潘超云，中山医学院副教授，博士生导师，中山大学“百人计划”引进人才。课题组以卵巢癌为主要疾病模型，研究代谢在细胞周期检查点以及DNA复制压力调控中的关键作用，并进而解析基因毒性药物的化疗抵抗机制与逆转策略。相关研究成果以最后通讯作者发表在Cell Metabolism, JCI, Oncogene等期刊。
相关论文信息
论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Metabolism上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文
▌论文标题：
Tyrosine catabolism enhances genotoxic chemotherapy by suppressing translesion DNA synthesis in epithelial ovarian cancer
▌论文网址：
https://www.cell.com/cell-metabolism/fulltext/S1550-4131(23)00371-6
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.cmet.2023.10.002
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