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在腫瘤中，營(yíng)養(yǎng)物的利用和代謝被認(rèn)為是生長(zhǎng)信號(hào)的重要調(diào)節(jié)劑。然而，在轉(zhuǎn)移環(huán)境中生長(zhǎng)的癌細(xì)胞是否依賴與原發(fā)腫瘤中的癌細(xì)胞相同的營(yíng)養(yǎng)和代謝途徑來(lái)激活生長(zhǎng)信號(hào)，仍然難以捉摸。2021年1月21日，比利時(shí)VIB-KU魯汶癌癥生物學(xué)中心的Sarah-Maria Fendt課題組在Molecular cell在線發(fā)表題為 “In Vivo Evidence for Serine Biosynthesis-Defined Sensitivity of Lung Metastasis, but Not of Primary Breast Tumors, to mTORC1 Inhibition” 的研究論文，為肺轉(zhuǎn)移和原發(fā)性乳腺癌在激活轉(zhuǎn)移信號(hào)的代謝和營(yíng)養(yǎng)需求之間存在的差異提供了體內(nèi)證據(jù)。研究者發(fā)現(xiàn)乳腺癌來(lái)源的肺轉(zhuǎn)移，而不是相應(yīng)的原發(fā)性乳腺癌，使用絲氨酸生物合成途徑來(lái)支持mTORC1生長(zhǎng)信號(hào)。從機(jī)理上講，通過(guò)MCT攝取丙酮酸可促進(jìn)乳腺癌衍生的肺轉(zhuǎn)移中絲氨酸生物合成衍生的α-酮戊二酸的產(chǎn)生來(lái)支持mTORC1信號(hào)傳導(dǎo)。因此，在乳腺癌衍生的肺部腫瘤（而不是原發(fā)性乳腺腫瘤）中，對(duì)于mTORC1抑制劑雷帕霉素的敏感性，需要表達(dá)絲氨酸生物合成酶PHGDH。癌轉(zhuǎn)移形成是癌癥患者死亡的主要原因。為了從擴(kuò)散到轉(zhuǎn)移形成，癌細(xì)胞需要激活生長(zhǎng)信號(hào)。盡管已經(jīng)在原發(fā)性腫瘤中廣泛研究了生長(zhǎng)信號(hào)，但對(duì)于轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移性癌細(xì)胞中生長(zhǎng)信號(hào)的要求和機(jī)制知之甚少。重要的生長(zhǎng)信號(hào)是通過(guò)雷帕霉素（mTOR）的哺乳動(dòng)物靶標(biāo)介導(dǎo)的，這是一種絲氨酸/蘇氨酸特異性蛋白激酶，存在于兩種復(fù)合體中，即mTORC1和mTORC2。 mTORC1的異?；钚砸言诙喾N癌癥中發(fā)現(xiàn)，并導(dǎo)致不受控制的增殖。允許癌細(xì)胞從原發(fā)性腫瘤中擴(kuò)散的早期轉(zhuǎn)移步驟與mTORC1信號(hào)傳導(dǎo)的調(diào)節(jié)相關(guān)。mTORC1受到一些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物如氨基酸，α-酮戊二酸和核苷酸的調(diào)控。有趣的是，最近有研究發(fā)現(xiàn)原發(fā)癌和轉(zhuǎn)移灶之間的養(yǎng)分利用率和代謝不同。這引起了以下問(wèn)題：原發(fā)性乳腺癌中的癌細(xì)胞和相應(yīng)的轉(zhuǎn)移是否通過(guò)不同的營(yíng)養(yǎng)和代謝活動(dòng)激活mTORC1信號(hào)傳導(dǎo)？1、丙酮酸支持肺轉(zhuǎn)移中的mTORC1信號(hào)傳導(dǎo)研究者首先探究原發(fā)性乳腺癌及其相應(yīng)的肺轉(zhuǎn)移是否依賴相同的生長(zhǎng)信號(hào)通路，即mTORC1信號(hào)進(jìn)行增殖和增生。作者使用4T1小鼠乳腺癌細(xì)胞在乳腺脂肪墊中引發(fā)原發(fā)性腫瘤，從而導(dǎo)致小鼠自發(fā)形成肺轉(zhuǎn)移，隨后對(duì)基于S6和真核翻譯起始因子4E（eIF4E）結(jié)合蛋白1（4EBP1）的磷酸化評(píng)估了mTORC1信號(hào)傳導(dǎo)。與相鄰的健康肺組織相比，增殖性原發(fā)性乳腺腫瘤和轉(zhuǎn)移灶均顯示出大量的S6和4EBP1磷酸化（圖1A），表明 4T1原發(fā)性乳腺腫瘤及其相應(yīng)的轉(zhuǎn)移灶使用了mTORC1依賴的生長(zhǎng)信號(hào)。與原發(fā)性腫瘤相比，轉(zhuǎn)移瘤的磷酸化率占總S6的比例更高（圖1B），結(jié)合公開(kāi)的乳腺癌患者磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)（圖1C），在轉(zhuǎn)移灶中的mTORC1信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)活性增強(qiáng)。mTORC1信號(hào)在很大程度上受到養(yǎng)分利用率的影響。因此，我們將乳腺癌患者樣品中葡萄糖，丙酮酸，谷氨酰胺和精氨酸的選擇轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的基因表達(dá)與mTOR活性進(jìn)行相關(guān)性分析（對(duì)于葡萄糖為SLC2A1和GLUT1，對(duì)于丙酮酸為SLC16A7和MCT2，對(duì)于谷氨酰胺為SLC1A5和ASCT2，以及 SLC7A1 / SLC7A2，對(duì)于精氨酸為CAT1 / 2）。盡管SLC7A1和SLC7A2顯示相反的結(jié)果，但我們?cè)诨颊叩娜橄侔悠分杏^察到GLUT1以及MCT2基因表達(dá)與mTOR活性之間呈正相關(guān)（圖1D和1E）。由于葡萄糖濃度和mTOR活性之間的聯(lián)系之前已有詳細(xì)研究，并且小鼠肺臟液中的葡萄糖濃度與血液相比有所降低（圖1F），因此作者決定重點(diǎn)研究丙酮酸。在體外培養(yǎng)的4T1乳腺癌中補(bǔ)充丙酮酸可增加基于嘌呤霉素?fù)饺氲牡鞍踪|(zhì)翻譯（圖1G），并在饑餓和4T1和HCT116癌細(xì)胞重新活化后導(dǎo)致某些mTORC1靶標(biāo)更快的磷酸化。因此，丙酮酸對(duì)于激活生長(zhǎng)信號(hào)可能是重要的。作者假設(shè)在肺轉(zhuǎn)移環(huán)境境中丙酮酸的可用性可能支持mTORC1生長(zhǎng)信號(hào)。研究發(fā)現(xiàn)與原發(fā)性4T1乳腺腫瘤相比，肺轉(zhuǎn)移中丙酮酸豐富度增加了2.5倍。作者采用MCT2抑制劑α-氰基-4-羥基肉桂酸抑制丙酮酸對(duì)肺轉(zhuǎn)移的攝取。在原發(fā)性乳腺腫瘤組織中，mTORC1靶的磷酸化沒(méi)有改變（圖1I）。轉(zhuǎn)移灶中S6磷酸化顯著降低，而較低磷酸化（α和β譜帶）4EBP1的比例增加（圖1J）。這說(shuō)明乳腺癌衍生的肺轉(zhuǎn)移通過(guò)MCT2攝取丙酮酸支持mTORC1信號(hào)傳導(dǎo)，但在原發(fā)性乳腺腫瘤中不支持。 
接下來(lái)，作者研究了丙酮酸支持mTORC1生長(zhǎng)信號(hào)的機(jī)制。作者在丙酮酸含量增加的條件下培養(yǎng)了4T1乳腺癌細(xì)胞，并進(jìn)行了代謝組學(xué)分析。絲氨酸，丙氨酸，x-磷酸甘油酸（2-和3-磷酸甘油酸的總和）和α-酮戊二酸的豐度顯示出最明顯的增加（圖2A–2D）。絲氨酸和α-酮戊二酸可以通過(guò)絲氨酸生物合成途徑直接連接，產(chǎn)生絲氨酸和等摩爾量的α-酮戊二酸，因?yàn)榱姿峤z氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶1（PSAT1）將3-磷酸羥基丙酮酸和谷氨酸轉(zhuǎn)化為3-磷酸絲氨酸和α-酮戊二酸（圖2E）。作者假設(shè)丙酮酸刺激絲氨酸的生物合成，因此使用13C標(biāo)記在4T1，MDA-MB-468，A549和HCT116細(xì)胞中測(cè)量了新生絲氨酸的生物合成。作者觀察到丙酮酸的補(bǔ)充增加了由葡萄糖產(chǎn)生的絲氨酸的比例（圖2F-2I），α-酮戊二酸豐度（圖2J–2L），x-磷酸甘油酸酯含量和NAD+與NADH的比例（圖2C和2M-2O）。基于這些數(shù)據(jù)，作者認(rèn)為丙酮酸在體外激活了絲氨酸生物合成途徑。作者在具有原發(fā)性乳腺腫瘤和肺轉(zhuǎn)移的小鼠體內(nèi)進(jìn)行了代謝組學(xué)分析。與相應(yīng)的原發(fā)性乳腺腫瘤相比，4T1乳腺癌衍生的肺轉(zhuǎn)移瘤表現(xiàn)出較高的絲氨酸生物合成率（圖2P），升高的α-酮戊二酸和x-磷酸甘油酸豐度（圖2Q和2R）以及NAD+與NADH的比率增加（圖2P和2S）。因此，這些數(shù)據(jù)與丙酮酸通過(guò)提高3-磷酸甘油酸豐度和NAD+與NADH的比例激活肺轉(zhuǎn)移中絲氨酸生物合成的觀點(diǎn)相一致。
3、絲氨酸生物合成途徑產(chǎn)生的α-酮戊二酸支持mTORC1信號(hào)傳導(dǎo)作者在4T1和MDA-MB-231乳腺癌細(xì)胞中沉默和過(guò)表達(dá)磷酸甘油酸脫氫酶（PHGDH）。沉默PHGDH降低了葡萄糖，細(xì)胞內(nèi)α-酮戊二酸豐度和蛋白質(zhì)翻譯產(chǎn)生的絲氨酸含量（圖3A），而過(guò)表達(dá)則產(chǎn)生相反的作用（圖3B）。原發(fā)性乳腺腫瘤中，PHGDH沉默不會(huì)改變mTORC1目標(biāo)的磷酸化（圖3C）。然而，在PHGDH沉默的乳腺癌衍生的肺腫瘤中，與對(duì)照腫瘤相比，p70 S6K磷酸化大大降低（圖3D）。這說(shuō)明絲氨酸生物合成途徑的抑制降低了肺部環(huán)境中癌細(xì)胞中的mTORC1信號(hào)傳導(dǎo)，但在原發(fā)性腫瘤部位中卻沒(méi)有。
作者使用質(zhì)譜法測(cè)量了絲氨酸生物合成途徑的哪些代謝產(chǎn)物以依賴PHGDH的方式發(fā)生了變化。在丙酮酸存在下，在4T1細(xì)胞中PHGDH沉默后，α-酮戊二酸，絲氨酸和甘氨酸的豐度主要降低，而當(dāng)在MDA-MB-231細(xì)胞過(guò)表達(dá)PHGDH時(shí)，α-酮戊二酸增加最為明顯。值得注意的是，在丙酮酸存在下，作為絲氨酸生物合成下游代謝產(chǎn)物的核苷酸在PHGDH沉默或過(guò)表達(dá)PHGDH時(shí)豐度不會(huì)持續(xù)變化。根據(jù)文獻(xiàn)，絲氨酸和α-酮戊二酸均可支持mTORC1信號(hào)傳導(dǎo)。但是，在作者的培養(yǎng)條件下（在RPMI中為286μM，在DMEM中為400μM）和在肺環(huán)境中（在小鼠中為199±58.6μM，在人中為94±24.1μM），絲氨酸的含量很高，代謝物的可用性不受限制。此外，與原發(fā)性乳腺腫瘤相比，在4T1和MMTV-PyMT來(lái)源的肺轉(zhuǎn)移中，α-酮戊二酸而不是絲氨酸的含量持續(xù)增加（圖4C-4F）。研究發(fā)現(xiàn)在PHGDH沉默或過(guò)表達(dá)時(shí)，胞質(zhì)α-酮戊二酸的豐度會(huì)不斷變化（圖4G和4H），這表明該代謝物可能參與了絲氨酸生物合成驅(qū)動(dòng)的mTORC1信號(hào)傳導(dǎo)調(diào)控。接下來(lái)作者推斷α-酮戊二酸補(bǔ)充可以在4T1細(xì)胞中PHGDH沉默后挽救mTORC1信號(hào)的激活。他們觀察到在血清和丙酮酸饑餓和回補(bǔ)后，PHGDH沉默的4T1細(xì)胞中補(bǔ)充α-酮戊二酸可提高p70 S6K，S6和4EBP1的磷酸化動(dòng)力學(xué)（α和β譜帶減少）（圖4I）。α-酮戊二酸補(bǔ)充增加了PHDGH沉默的4T1細(xì)胞中的蛋白質(zhì)翻譯（圖4J）。這些數(shù)據(jù)表明，α-酮戊二酸可在PHGDH沉默后在體外拯救mTORC1信號(hào)傳導(dǎo)。
4、絲氨酸的生物合成定義了雷帕霉素對(duì)肺轉(zhuǎn)移的敏感性作者將MDA-MB-231對(duì)照細(xì)胞和過(guò)表達(dá) PHGDH細(xì)胞注入裸鼠的肺部，并用雷帕霉素治療，隨后評(píng)估了乳腺癌衍生的肺腫瘤的生長(zhǎng)，只有過(guò)表達(dá) PHGDHMDA-MB-231肺部腫瘤對(duì)雷帕霉素治療敏感。用4T1對(duì)照和PHGDH沉默的乳腺癌細(xì)胞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到相似的結(jié)果，只有具有PHGDH表達(dá)的對(duì)照4T1來(lái)源的肺腫瘤對(duì)雷帕霉素敏感?；谶@些數(shù)據(jù)，作者得出結(jié)論，PHGDH活性（即絲氨酸生物合成）定義了肺癌環(huán)境中乳腺癌細(xì)胞對(duì)mTORC1抑制的敏感性。作者發(fā)現(xiàn)小鼠的肺轉(zhuǎn)移及其相應(yīng)的原發(fā)性乳腺腫瘤依賴不同的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和代謝途徑來(lái)激活生長(zhǎng)信號(hào)。絲氨酸生物合成是對(duì)在肺環(huán)境中生長(zhǎng)的乳腺癌細(xì)胞中mTORC1抑制敏感性的決定因素。1、Rinaldi G, et al. “ In Vivo Evidence for Serine Biosynthesis-Defined Sensitivity of Lung Metastasis, but Not of Primary Breast Tumors, to mTORC1 Inhibition.” Mol. Cell. 2021 Jan 21;81(2):386-397.e7. DOI: 10.1016/j.molcel.2020.11.027.
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