Nature和Cell子刊的battle:天冬酰胺究竟促癌还是抑癌?

随着基金申请告一段落,大家是不是都暂时送了一口气呢?虽然本子已经提交了,但是学习的脚步不能停止呀,毕竟还要做实验、发论文、写明年的标书……

这不,无花果又可以开始和大家分享高分热点以及课题设计思路了,大家一定要多多关注,说不定就能成为下一年度国自然申请的素材哦!

最近查文献的时候发现在肿瘤领域代谢相关研究非常火热,其中天冬酰胺(Asn)这一常见氨基酸成功引起了无花果的注意。近年来已有多篇顶刊研究发现Asn促进肿瘤进展[1,2],而在临床上可以分解Asn的天冬酰胺酶(Asparaginase)已被用于治疗白血病[3,4]。然而,由于肿瘤细胞本身能够合成Asn,使天冬酰胺酶的疗效受限,且Asn在细胞内的代谢机制并不十分清楚,使这一问题始终难以解决。

今年Nature cell biology[5]Cell Metabolism[6]先后发表了有关Asn调控肿瘤进展的研究,两者虽然研究的对象都是Asn,但靶细胞有所不同,揭示的功能和机制也有差异,值得我们思考和探讨。废话不多说,下面无花果就分别为大家分析这两篇文章。

文献一:Asparagine enhances LCK signalling to potentiate CD8 T-cell activation and anti-tumour responses.

这篇文章发表于2021年1月,作者为清华大学江鹏团队,发现Asn能够通过上调LCK信号通路增强CD8+ T细胞活性,从而通过增强免疫细胞功能抑制肿瘤生长,颠覆了以往对Asn促癌功能的认知。文章做得很细节,体内外机制验证也很完整,值得做免疫细胞研究的小伙伴借鉴。

研究结果

(1)体外实验表明Asn促进CD8+T细胞激活

首先用Asn、ASNase(天冬酰胺酶)处理初始T细胞,发现诱导后活化的CD8+ T细胞在Asn处理后比例更高。

(2)Asn能在体内增强CD8+T细胞的应答

为了观察Asn在体内是否依然可以增强CD8+T细胞的活化,对小鼠进行有/无Asn的饮食控制,并在无Asn喂养结束后注射LmOVA诱导CD8+T细胞活化。结果表明,加入Asn饮食的小鼠无论是脾脏还是淋巴结活化的CD8+T细胞数量均显著升高。

(3)体外实验证明Asn通过被T细胞摄取,而不是交换因子功能促进CD8+T细胞活化

Asn作为氨基酸,具有交换因子功能。具体来说,减少Asn会降低其他氨基酸如Ser的摄入。然而,Asn促进CD8+T细胞活化的功能是通过哪种机制实现的呢?为了解答这一问题,作者对Asn进行了同位素标记,观察在T细胞内的含量,以及氨基酸转运蛋白的表达。通过Ser+Gly的处理和对转运蛋白的敲减,表明Asn是通过被T细胞摄取和利用促进细胞活化,而非通过影响其他氨基酸摄入间接调控。

(4)分子机制研究:Asn通过mTORC1和Gln非依赖途径增强CD8+T细胞活化

以往研究认为mTORC1通路的上调能激活CD8+T细胞,而Asn也能够间接提高mTORC1的活性。因此,Asn是否通过这一途径增强CD8+T细胞活化?通过检测mTORC1活性和使用mTORC1抑制剂发现,尽管mTORC1对CD8+T细胞的活化有一定作用,但与Asn相比并不一致(Asn对CD8+T细胞活化的作用更大),表明Asn可能通过另一种mTORC1非依赖的机制影响CD8+T细胞。通过检测T细胞活化相关受体和信号通路蛋白,作者发现Asn能够通过上调LCK的磷酸化增强CD8+T细胞的活化。

(5)分子机制研究:Asn通过直接结合LCK,提高其磷酸化水平增强CD8+T细胞活化

为了搞清楚Asn对LCK磷酸化的调控机制,作者使用了同位素标记氨基酸的平衡结合实验(感兴趣的可以看原文的具体方法),最终证明Asn可以直接结合LCK调控其磷酸化。

(6)Asn在体内增强CD8+T细胞抗肿瘤应答

做了这么多实验,终于在体外验证了Asn增强CD8+T细胞活化的机制,那么在体内CD8+T细胞的活化是否具有抗肿瘤作用?重点来了,作者先在体外培养CD8+T细胞并诱导活化,同时加入Asn处理。模型小鼠前20天静脉注射Asn或PBS对照,第21天皮下注射肿瘤细胞后放疗5天去除免疫功能,再24小时后尾静脉注射处理完成的CD8+T细胞,检测肿瘤的生长和转移。Asn处理的CD8+T细胞对肿瘤细胞的杀伤力更强,小鼠体内的转移灶也更小,小鼠生存期更长,最终证明Asn活化的CD8+T细胞具有抗肿瘤作用。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41556-020-00615-4

文献二:Asparagine couples mitochondrial respiration to ATF4 activity and tumor growth

本文发表于2021年3月,由UCLA研究团队完成,主要的研究结论是Asn能够通过调控ATF4的反馈环路和增强mTORC1活性,在呼吸作用电子传递链(ETC)被抑制时依然维持肿瘤细胞生长。因此,肿瘤细胞有氧呼吸(与糖酵解对应)的主要目的可能是维持Asn合成。

假说示意图

研究结果

(1)Asn能在抑制电子传递链(ETC)时维持肿瘤细胞增殖

首先分别对不同肿瘤细胞系使用鱼藤酮(Rot,ETC抑制剂)处理,发现天冬氨酸和天冬酰胺的水平显著降低;当使用Rot的同时加入天冬酰胺(N),细胞增值率比不加天冬酰胺时显著提高,用另外两种ETC抑制剂二甲双胍(Met)和IACS获得相同结果。将天冬酰胺替换为天冬氨酸(D)后,也有相同回复作用。

(2)补充Asn无法恢复ETC受抑制肿瘤细胞内的Asp(天冬氨酸)水平

检测上述处理后细胞内天冬氨酸(Asp)和天冬酰胺(Asn)水平,发现抑制ETC后加入Asn也无法改变细胞内Asp水平,表明影响细胞增殖的主要是Asn。值得注意的是这两个图的分组分别设置了对照+/Asn(或Asp)组和ETC抑制剂+/-Asn(Asp)组,是贯穿整篇文章的逻辑重点。

(3)Asn将线粒体呼吸和ATF4及mTORC1相关联

接下来就是机制研究:Asn通过何种机制影响肿瘤增殖?以往研究发现Asn能够影响ATF4的表达和mTORC1的活性,而Asn合成酶ASNS又是ATF4的靶基因,于是作者就通过一系列敲除和挽救实验验证这几个分子的上下游关系。结果会比较绕,重点关注ETC抑制剂-N(-D)组和其他组别的不同(因此搞明白分组很重要!),最终证明Asn能促进mTORC1的激酶活性,抑制ATF4的表达,而ATF4又通过正调控Asn的合成形成反馈环路,使肿瘤细胞内的Asn保持一定浓度。

(4)Asn能在抑制电子传递链(ETC)时恢复核酸合成

这一部分的结果其实是为了说明在抑制ETC后, Asn如何保持能量代谢和核酸生成?利用同位素标记葡萄糖的方法检测能量代谢去向,如图A和B所示,天冬酰胺通过mTORC1提高CAD活性,从而增加嘧啶含量,即提高ATP、UTP合成。

(5)二甲双胍(呼吸链抑制剂)和天冬酰胺酶联合使用抑制肿瘤生长

体外实验做完了得在体内验证。既然Asn在抑制ETC后依然能维持肿瘤生长,那就同时降低Asn和抑制ETC。这里需要关注的是,文中使用的是NSG人源化小鼠做的异种移植皮下成瘤模型,同时静脉注射天冬酰胺酶和二甲双胍。同时注射两者的肿瘤显著变小,mTOC1活性降低。

(6)ETC抑制剂联合低Asn饮食抑制肿瘤生长

既然同时降低Asn水平和抑制ETC能限制肿瘤生长,那么是否可以通过饮食限制和ETC抑制剂抑癌?结果表明,使用ETC抑制剂同时不额外摄入Asn的小鼠肿瘤生长最慢,生存期最长。

文章链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1550413121000577

总结

尽管这两篇文章得出的结论似乎相反,但仔细来看其实是一致的,即Asn能增强细胞的生长和功能。对于CD8+T细胞来说,Asn通过LCK磷酸化增强活化,而对于肿瘤细胞,Asn通过ATF4和mTORC1促进肿瘤增殖。

有趣的是,两篇文章都提到了Asn饮食限制,小鼠体内实验得到的结果却并不一致,主要原因就在于两者使用的小鼠模型的构建方法以及Asn限制的方法不同。前文是在成瘤实验之前对Asn进行控制,并在体外先培养CD8+T细胞,注射小鼠后观察其对肿瘤生长转移的作用;而后者直接在成瘤的过程中控制Asn饮食摄入。前者似乎更偏向对免疫治疗的探索,而后者更着重于Asn对肿瘤本身的影响。

说了这么多,那对我们课题设计有什么启发呢?

从这两篇文章可以看出,通过不同角度,侧重不同细胞,甚至使用不同的建模方式,都可能得出不同甚至相反的结果。因此,设计课题的时候更需要注意这些重要的细节,对结果进行分析和推论时也务必严谨。

Asn对肿瘤患者到底有利还是有害?还需要更多的临床数据验证。

对于摄入Asn促癌还是抑癌你有什么看法?欢迎在后台留言哦~

参考文献

1. Knott S, Wagenblast E, Khan S, Kim S, Soto M, Wagner M, et al. Asparagine bioavailability governs metastasis in a model of breast cancer. Nature 2018, 554(7692): 378-381.

2. Hinze L, Pfirrmann M, Karim S, Degar J, McGuckin C, Vinjamur D, et al. Synthetic Lethality of Wnt Pathway Activation and Asparaginase in Drug-Resistant Acute Leukemias. Cancer cell 2019, 35(4): 664-676.e667.

3. Vrooman L, Stevenson K, Supko J, O’Brien J, Dahlberg S, Asselin B, et al. Postinduction dexamethasone and individualized dosing of Escherichia Coli L-asparaginase each improve outcome of children and adolescents with newly diagnosed acute lymphoblastic leukemia: results from a randomized study–Dana-Farber Cancer Institute ALL Consortium Protocol 00-01. Journal of clinical oncology : official journal of the American Society of Clinical Oncology 2013, 31(9): 1202-1210.

4. Kloos R, Pieters R, Jumelet F, de Groot-Kruseman H, van den Bos C, van der Sluis I. Individualized Asparaginase Dosing in Childhood Acute Lymphoblastic Leukemia. Journal of clinical oncology : official journal of the American Society of Clinical Oncology 2020, 38(7): 715-724.

5. Wu J, Li G, Li L, Li D, Dong Z, Jiang P. Asparagine enhances LCK signalling to potentiate CD8 T-cell activation and anti-tumour responses. Nature cell biology 2021, 23(1): 75-86.

6. Krall AS, Mullen PJ, Surjono F, Momcilovic M, Schmid EW, Halbrook CJ, et al. Asparagine couples mitochondrial respiration to ATF4 activity and tumor growth. Cell Metabolism.

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