撰稿丨王 肖

點(diǎn)評(píng)丨康建勝（鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院）、周大鵬（同濟(jì)大學(xué)）

責(zé)編丨迦 溆

D-Mannose，圖片引自：https://commons./wiki/File:D-Mannose.svg

許多腫瘤都會(huì)出現(xiàn)代謝變化，尤其是葡萄糖攝取增加【1】。葡萄糖是己糖（屬于單糖）的一種，那么腫瘤是否對(duì)己糖家族中的其它成員也有類似反應(yīng)呢？2018年11月22日，來(lái)自英國(guó)癌癥中心的Kevin Ryan團(tuán)隊(duì)解答了這一疑惑，相關(guān)研究發(fā)表在了Nature期刊上，標(biāo)題為Mannose impairs tumour growth and enhances chemotherapy【2】。

研究者首先檢測(cè)了不同種類己糖包括甘露糖（Mannose）、半乳糖（Galactose）、果糖（Fructose）、巖藻糖（Fucose）、葡萄糖（Glucose）對(duì)不同腫瘤細(xì)胞株生長(zhǎng)的影響（使用濃度為25 nM），發(fā)現(xiàn)甘露糖表現(xiàn)出明顯的抑制效果（圖1）。

圖1 不同單糖對(duì)不同腫瘤細(xì)胞株生長(zhǎng)的影響，其中甘露糖對(duì)腫瘤的抑制效果最顯著

細(xì)胞中參與甘露糖的轉(zhuǎn)運(yùn)體與葡萄糖是一樣的（圖2），那么甘露糖的攝取是否影響了葡萄糖的攝取呢？研究者帶著這一疑問(wèn)，研究人員首先發(fā)現(xiàn)了甘露糖可以增加AMPK的磷酸化水平（甘露糖誘導(dǎo)AMPK的激活不依賴于AMP或ATP的變化，而是與果糖-1,6-二磷酸的水平有密切關(guān)系，這一點(diǎn)很好的證實(shí)了林圣彩教授團(tuán)隊(duì)2017年在Nature上發(fā)表的重要成果，詳見(jiàn)：

林圣彩組Nature破解葡萄糖感受的新機(jī)制【專家特評(píng)】

），進(jìn)而發(fā)現(xiàn)甘露糖可以增加Hexoses-6-phosphate，同時(shí)相反甘露糖并沒(méi)有影響葡萄糖的攝取反而增加細(xì)胞內(nèi)葡萄糖的含量，而這一現(xiàn)象在其它己糖中并不存在。

圖2. 甘露糖與葡萄糖的代謝途徑

既然甘露糖并沒(méi)有影響葡萄糖的攝取，那么甘露糖是如何影響腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)的呢？研究者發(fā)現(xiàn)甘露糖-6-磷酸可以抑制參與葡萄糖代謝的三種酶：己糖激酶、磷酸葡萄糖異構(gòu)酶(PGI)和葡萄糖-6-磷酸脫氫酶（hexokinases，phosphoglucose isomerase （PGI）和glocose-6-phosphate dehydrogenase），進(jìn)而影響了三羧酸循環(huán)、磷酸戊糖途徑及聚糖合成。同樣這一代謝抑制在其它單糖中也不存在。由此得出結(jié)論甘露糖的攝取可以影響細(xì)胞內(nèi)葡萄糖的代謝。

既然甘露糖可以通過(guò)抑制葡萄糖的代謝來(lái)影響腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)，那么甘露糖是否可以影響腫瘤細(xì)胞對(duì)于化療藥物的反應(yīng)呢？實(shí)驗(yàn)表明甘露糖確實(shí)可以增加由順鉑或阿霉素引起的腫瘤細(xì)胞凋亡，而其他己糖無(wú)此效果。進(jìn)而研究者利用CRISPR–Cas9的方法，發(fā)現(xiàn)了上述甘露糖是通過(guò)BAX和BAK的內(nèi)源途徑來(lái)影響凋亡的。

上述實(shí)驗(yàn)均是利用腫瘤細(xì)胞株在體外進(jìn)行的，那么甘露糖在體內(nèi)是否也有同樣的效果呢？研究者利用體內(nèi)成瘤實(shí)驗(yàn)構(gòu)建帶瘤小鼠，然后通過(guò)飼管（一周三次）和飲水（持續(xù)性地）讓腫瘤小鼠服用甘露糖，發(fā)現(xiàn)甘露糖并不影響小鼠的體重和健康，但是卻可以明顯抑制腫瘤的生長(zhǎng)。此外，在體內(nèi)甘露糖可以增加阿霉素的抗癌效果，并可明顯延長(zhǎng)小鼠的生存期（圖3）。

圖3 在體內(nèi)甘露糖可以抑制腫瘤生長(zhǎng)，增加阿霉素抗癌效果和延長(zhǎng)小鼠生存期

無(wú)論在體外還是體內(nèi)，甘露糖都表現(xiàn)出了明顯的抑癌效果，那么是否在所有的腫瘤中都有類似作用呢？既然甘露糖可以影響代謝，那么糖代謝中的某個(gè)酶是否和甘露糖的抑癌效果相關(guān)？研究者發(fā)現(xiàn)PMI（該酶可以催化甘露糖-6-磷酸和果糖-6-磷酸的相互轉(zhuǎn)化，phosphomannose isomerase）【1】與甘露糖敏感性呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。于是研究者在對(duì)甘露糖不敏感的三個(gè)腫瘤細(xì)胞系（SKOV3，RKO和IGROV1）中敲低了MPI（編碼PMI的基因），發(fā)現(xiàn)在甘露糖處理后生長(zhǎng)均受到了抑制，在甘露糖和化療藥物共同處理時(shí)凋亡增加。相反在對(duì)甘露糖敏感的細(xì)胞系中過(guò)表達(dá)MPI可以明顯抑制甘露糖的效果。

MPI在體內(nèi)是否也有同樣的反應(yīng)呢？隨后研究者利用小鼠和體內(nèi)成瘤實(shí)驗(yàn)證明了MPI敲除的細(xì)胞確實(shí)增加了對(duì)甘露糖的敏感性。

接下來(lái)，研究者利用組織芯片的方法檢測(cè)了人不同腫瘤包括卵巢癌、腎癌、乳腺癌、前列腺癌和結(jié)直腸癌中的PMI表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)不同腫瘤中PMI的表達(dá)情況不一樣，同時(shí)即使是同樣的腫瘤表達(dá)也有所區(qū)別。其中PMI在結(jié)直腸癌的表達(dá)最低，因此意味著結(jié)直腸癌可能對(duì)甘露糖敏感。因此研究者利用兩種結(jié)直腸癌小鼠模型進(jìn)行甘露糖處理，發(fā)現(xiàn)腫瘤生長(zhǎng)都受到了明顯的抑制。

總的來(lái)說(shuō)，該項(xiàng)研究表明單獨(dú)服用單甘露糖或結(jié)合化療藥物服用可以抑制腫瘤生長(zhǎng)。甘露糖療法可能是一種簡(jiǎn)單又安全的靶向腫瘤生長(zhǎng)的方法。但是仍然需要進(jìn)一步研究加以驗(yàn)證。

值得一提的是，去年7月份，由美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生院的華人科學(xué)家陳萬(wàn)軍教授等發(fā)表在Nature Medicine上的一篇文章顯示，D-甘露糖可以調(diào)控調(diào)節(jié)性T細(xì)胞（Treg）進(jìn)而抑制自身免疫疾病【4】。

專家點(diǎn)評(píng)

01

康建勝（鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院教授）

甘露糖是葡萄糖的同分異構(gòu)體，C-2 位羥基差向異構(gòu)體，體內(nèi)可與葡萄糖相互轉(zhuǎn)換，是參與糖基化修飾的一種主要單糖形式。

本研究利用代謝流技術(shù)發(fā)現(xiàn)外源甘露糖不影響葡萄糖吸收情況下，通過(guò)甘露糖-6-磷酸的富集影響糖酵解、三羧酸循環(huán)和磷酸戊糖途徑，可以抑制腫瘤的體外和體內(nèi)的生長(zhǎng)，而且腫瘤細(xì)胞的甘露糖敏感性和磷酸甘露糖異構(gòu)酶（PMI）的表達(dá)呈負(fù)相關(guān)性。葡萄糖的其它同分異構(gòu)體或類似物，如果糖、半乳糖和巖藻糖，沒(méi)有類似現(xiàn)象和作用。此次的研究報(bào)道非常有借鑒意義，尤其在免疫療法當(dāng)前過(guò)熱的階段，提示了代謝干預(yù)癌癥治療的可行性及某種程度的安全性，尤其天然小分子庫(kù)依然有待人們深入挖掘和探索。甘露糖做為葡萄糖的同分異構(gòu)體，C-2 差向異構(gòu)體，結(jié)構(gòu)上微妙的差異和對(duì)腫瘤的抑制作用，不免讓人想起一個(gè)古老的問(wèn)題：同手型（Homochirality）問(wèn)題，即生命體基本都使用左旋氨基酸和右旋糖。當(dāng)然越來(lái)越多的證據(jù)表明大腦可以利用右旋的氨基酸，比如 D-serine。如果考慮手性和各種差向異構(gòu)體，可供發(fā)掘的代謝小分子數(shù)目相當(dāng)可觀。

本研究展示了甘露糖影響代謝的全景圖及其作用，但尚未深入研究甘露糖參與的糖基化修飾及其變化情況。隨著質(zhì)譜技術(shù)和納米孔新方法的發(fā)展和應(yīng)用，精細(xì)探討相關(guān)蛋白質(zhì)組及其修飾組學(xué)成為可能，期待更多豐富的信息！

02

周大鵬（同濟(jì)大學(xué)醫(yī)學(xué)院，教授）

為什么導(dǎo)致遺傳性糖基化缺陷Ib疾病的基因會(huì)調(diào)節(jié)外源性甘露糖對(duì)腫瘤細(xì)胞的殺傷？

Gonzalez等發(fā)現(xiàn)未經(jīng)修飾的外源性甘露糖經(jīng)過(guò)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)入細(xì)胞后，可以提高胞漿內(nèi)Mannose-6-phosphate的濃度，干擾糖代謝通路，引起腫瘤細(xì)胞能量衰竭，而直接抑制腫瘤生長(zhǎng)。更重要的是，Gonzalez等的發(fā)現(xiàn)提示Mannose-6-phosphateisomerase 是一個(gè)新的潛在藥物靶點(diǎn)。敲除Mannose-6-phosphateisomerase 后，甘露糖對(duì)腫瘤細(xì)胞的毒性顯著提高【7】。

Mannose-6-phosphate isomerase 是催化 fructose 6-phosphate(F6P)和mannose-6-phosphate(M6P)互相轉(zhuǎn)化的異構(gòu)酶。 Mannose-6-phosphate 和 GTP 反應(yīng)后生成 GDP-mannose，是體內(nèi)N-糖基化的必需的核苷酸糖。該酶的缺失導(dǎo)致廣泛的蛋白N-糖基化缺陷【8】。Mannose-6-phosphateisomerase基因突變的患者歸類于遺傳性糖基化缺陷Ib 型（CongenitalDisorder of Glycosylation Type Ib），表現(xiàn)為低血糖，血栓形成，蛋白丟失性腸病。這類病人的N-糖基化缺陷可以通過(guò)飲食補(bǔ)充外源性甘露糖得到部分糾正。然而，給這類病人靜脈注射補(bǔ)充外源性甘露糖時(shí)，會(huì)誘發(fā)昏迷和抽搐，推測(cè)其機(jī)制為高濃度的細(xì)胞內(nèi)甘露糖在Mannose-6-phosphateisomerase基因突變的情況下，抑制糖代謝通路并導(dǎo)致細(xì)胞能量衰竭【9】。因此，選擇性地抑制腫瘤細(xì)胞Mannose-6-phosphate isomerase 酶，將提高外源性甘露糖治療腫瘤的療效和安全性。

外源性甘露糖對(duì)腫瘤細(xì)胞的殺傷作用是一個(gè)令人驚訝的發(fā)現(xiàn)，也再次說(shuō)明在糖類的生物學(xué)這個(gè)新興領(lǐng)域，我們的認(rèn)知是如此之少。糖類相關(guān)的抗腫瘤機(jī)制和藥物靶點(diǎn)將帶來(lái)與蛋白和基因研究并列的醫(yī)學(xué)突破。

BioArt編后記：普通的甘露糖雖然在《生物化學(xué)》教材上看上去十分不起眼，但是就是這么不起眼的己糖最近煥發(fā)出了新的活力。這篇Nature中的實(shí)驗(yàn)可能絕大多數(shù)生物實(shí)驗(yàn)室都能去做，但是此前為什么這么長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人問(wèn)津？相比之下，葡萄糖不要太火。這篇文章有意思的地方并不只是抑制腫瘤這一方面，筆者認(rèn)為更有意思的是，現(xiàn)在看來(lái)己糖中甘露糖和葡萄糖某種意義上功能恰好相反，在激活A(yù)MPK信號(hào)上完美互補(bǔ)，這也許就是細(xì)胞生命活動(dòng)中應(yīng)對(duì)外部變化時(shí)其平衡的美妙之處！

參考文獻(xiàn)

1. Pavlova, N. N. & Thompson, C. B. The emerging hallmarks of cancer metabolism.Cell Metab. 23, 27–47 (2016).

2. Pablo Sierra Gonzalez & Kevin M. Ryan. Mannose impairs tumour growth and enhances chemotherapy.Nature. (2018)

3. Sharma, V., Ichikawa, M. & Freeze, H. H. Mannose metabolism: more than meets the eye. Biochem. Biophys.Res. Commun. 453, 220–228 (2014).

4. Zhang, D., Chia, C., Jiao, X., Jin, W., Kasagi, S., Wu, R., ... & Chen, Q. (2017). D-mannose induces regulatory T cells and suppresses immunopathology.Nature medicine, 23(9), 1036.

5.Ma J, Liu H, Xi Z, Hou J, Li Y, Niu J, Liu T, Bi S, Wang X,Wang C, Wang J, Xie S, Wang PG.Protectedand De-protected Platinum(IV)Glycoconjugates With GLUT1 and OCT2-Mediated Selective Cancer Targeting:DemonstratedEnhanced Transporter-Mediated Cytotoxic Properties in vitro andinvivo.Front Chem. 2018 Sep 21;6:386.

6.Gao X, Liu S, Shi Y, Huang Z, Mi Y, Mi Q, Yang J, Gao Q.Mechanistic and biological characteristicsofdifferentsugar conjugated 2-methylmalonatoplatinum(II) complexes as newtumortargetingagents.Eur J Med Chem. 2017 Jan 5;125:372-384.

7. Gonzalez et al., Mannose impairs tumour growth and enhances chemotherapy.Nature2018

8.Westphal V, Kjaergaard S, Davis JA, Peterson SM, Skovby F,Freeze HH. Genetic and metabolic analysis of the first adultwith congenital disorder of glycosylation type Ib: long-term outcome andeffects of mannose supplementation.Mol Genet Metab. 2001 May;73(1):77-85.

9.Schroeder AS, Kappler M, Bonfert M, Borggraefe I, Schoen C,Reiter K.Seizures and stupor during intravenousmannosetherapyin a patient with CDGsyndrome type 1b (MPI-CDG).J Inherit Metab Dis. 2010 Dec;33 Suppl 3:S497-502.