驅(qū)動(dòng)肝細(xì)胞癌（HCC）代謝重編程的關(guān)鍵因素找到了！

近期，南京醫(yī)科大學(xué)王學(xué)浩/浦立勇/錢曉峰/王科及武漢大學(xué)張鵬團(tuán)隊(duì)發(fā)表了一篇文章，他們通過(guò)大規(guī)模轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫(kù)和生存相關(guān)性篩選，確定了胸苷激酶1（TK1）是HCC代謝重編程的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素，下調(diào)TK1的表達(dá)能延緩HCC的進(jìn)展。

此外，研究還發(fā)現(xiàn)，TK1不僅通過(guò)其酶活性和脫氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）的產(chǎn)生促進(jìn)HCC的發(fā)生，還可以不在酶的作用下直接與蛋白精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶1（PRMT1）結(jié)合促進(jìn)糖酵解，為HCC生長(zhǎng)提供能量。

了解TK1的酶依賴性和非依賴性分子機(jī)制可以幫助我們開發(fā)或制定不同的HCC治療策略。研究發(fā)表在《細(xì)胞·代謝》上。

論文首頁(yè)截圖

HCC是世界上最常見的癌癥相關(guān)死亡原因之一，每年確診患者達(dá)80多萬(wàn)。盡管免疫治療、手術(shù)切除、肝移植等治療方法能夠改善HCC患者預(yù)后，但腫瘤復(fù)發(fā)率仍然很高。因此，找到治療HCC的新方法和新靶點(diǎn)，變得尤為重要。

代謝重編程是HCC的關(guān)鍵特征。為了迅速擴(kuò)張自己的領(lǐng)地，腫瘤細(xì)胞會(huì)改變自己的代謝方式，以確保有足夠的營(yíng)養(yǎng)來(lái)滿足生長(zhǎng)和傳播的需要。而針對(duì)這種代謝方式改變的治療方法也為HCC的治療提供了一個(gè)新的方向。

鑒于此，南京醫(yī)科大學(xué)和武漢大學(xué)的研究人員將研究的重點(diǎn)放在了找出與HCC代謝重編程有關(guān)的基因上。

為了篩選出與HCC進(jìn)展有關(guān)的基因，研究人員從多個(gè)公共數(shù)據(jù)庫(kù)中選取了樣本量（HCC和鄰近正常組織）大于150，基因覆蓋率較高的數(shù)據(jù)集進(jìn)行研究，最終在前5個(gè)上調(diào)的與HCC發(fā)生密切相關(guān)的基因中選中了TK1，一方面TK1與惡性腫瘤行為、代謝重編程和不良預(yù)后有關(guān)，另一方面，TK1是里面唯一一個(gè)沒(méi)有被重視的基因。

與HCC發(fā)生密切相關(guān)的基因

接下來(lái)，研究人員在TCGA和ICGC數(shù)據(jù)庫(kù)中驗(yàn)證了TK1在HCC中的表達(dá)水平的確要高于鄰近正常組織。根據(jù)TK1表達(dá)水平的不同，研究將以上兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中的樣本分成了TK1高表達(dá)組和TK1低表達(dá)組。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，TK1高表達(dá)組個(gè)體的生存預(yù)后要明顯低于TK1低表達(dá)組，且TK1高表達(dá)組顯現(xiàn)出與癌癥進(jìn)展和代謝重編程相關(guān)的顯著富集生物過(guò)程，這也意味著TK1在HCC進(jìn)展中起著至關(guān)重要的作用。

TK1表達(dá)與個(gè)體的生存預(yù)后的關(guān)系

在收集了90對(duì)HCC樣本和對(duì)應(yīng)的鄰近組織樣本后，研究人員觀察到HCC組織中TK1的mRNA表達(dá)水平明顯高于相鄰的正常組織，這進(jìn)一步驗(yàn)證了TK1在HCC中的表達(dá)上調(diào)。

那么是什么原因?qū)е耇K1在HCC中上調(diào)呢？

根據(jù)cBioPortal數(shù)據(jù)庫(kù)信息，研究人員評(píng)估了TK1 mRNA表達(dá)與DNA甲基化水平之間的關(guān)聯(lián)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，TK1基因的表達(dá)與DNA甲基化水平呈顯著負(fù)相關(guān)（p=2.0e-14）。

利用亞硫酸氫鹽測(cè)序法PCR（BSP）和甲基化特異性PCR（MSP）確定HCC標(biāo)本中TK1啟動(dòng)子的甲基化狀態(tài)后，研究人員發(fā)現(xiàn)，與鄰近正常組織相比，HCC中TK1啟動(dòng)子序列發(fā)生了低甲基化，且TK1啟動(dòng)子甲基化水平與TK1表達(dá)成負(fù)相關(guān)，這說(shuō)明，HCC中TK1基因的表達(dá)水平上升可能是由于其啟動(dòng)子序列低甲基化造成的。

既往研究顯示，TK1可促進(jìn)體外HCC細(xì)胞的增殖和遷移，為了評(píng)估TK1是否能促進(jìn)HCC在體內(nèi)的增殖能力，研究將TK1敲低的Hep3B細(xì)胞、過(guò)表達(dá)TK1的YY8103細(xì)胞及其相應(yīng)的對(duì)照HCC細(xì)胞接種到裸鼠中。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在TK1敲低組中，可以觀察到腫瘤體積和重量的下降，TK1過(guò)表達(dá)組則相反。HE染色、免疫組化分析顯示，下調(diào)TK1可抑制HCC細(xì)胞的增殖能力，提高HCC細(xì)胞的凋亡率。在肺轉(zhuǎn)移小鼠模型中，研究人員同樣觀察到下調(diào)TK1可抑制HCC生長(zhǎng)以及肺轉(zhuǎn)移。

TK1表達(dá)水平與腫瘤大小的關(guān)系

為了進(jìn)一步揭示TK1在HCC進(jìn)展中的作用，研究對(duì)YY8103細(xì)胞系進(jìn)行了無(wú)標(biāo)記蛋白質(zhì)組學(xué)分析，并通過(guò)GO富集分析確定了最顯著富集的生物過(guò)程是代謝過(guò)程。于是，研究人員對(duì)YY8103細(xì)胞系進(jìn)行了非靶向代謝組學(xué)分析后發(fā)現(xiàn)，隨著TK1表達(dá)水平的改變，代謝譜也發(fā)生了變化。KEGG通路分析顯示，癌癥中心碳代謝（CCM）變化最大。

CCM主要涉及糖酵解、磷酸戊糖途徑和檸檬酸循環(huán)這三個(gè)途徑，其中糖酵解是腫瘤細(xì)胞中最典型的代謝途徑。為了檢測(cè)TK1對(duì)糖酵解的直接影響，研究人員進(jìn)行了代謝通量分析、18F-FDG PET/CT的測(cè)定以及結(jié)合臨床HCC患者隊(duì)列數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，無(wú)論在體外還是體內(nèi)，TK1均有助于糖酵解。

我們知道TK1具有典型激酶活性，以往的研究均集中在TK1催化dTMP產(chǎn)生的作用上，為了確定TK1促進(jìn)HCC進(jìn)展和糖酵解這一過(guò)程是否需要酶的參與，研究人員構(gòu)建了TK1的野生型（WT）和激酶失活變體（MUT#1），重組到Hep3B細(xì)胞和YY8103細(xì)胞中。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，TK1-WT和TK1-MUT#1過(guò)表達(dá)均增強(qiáng)了腫瘤細(xì)胞的增殖、遷移和糖酵解，只不過(guò)與TK1-WT相比，TK1-MUT#1作用相對(duì)較弱。這說(shuō)明，TK1不僅可以通過(guò)其酶活性，還可以通過(guò)與酶無(wú)關(guān)的機(jī)制促進(jìn)HCC進(jìn)展和糖酵解。

接下來(lái)，研究人員進(jìn)一步對(duì)YY8103細(xì)胞進(jìn)行了免疫共沉淀-質(zhì)譜聯(lián)用（IP-MS）分析，再結(jié)合蛋白質(zhì)組學(xué)分析結(jié)果，確定了PRMT1是與TK1相互作用并受到TK1調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)。此外，研究還通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了TK1與PRMT1之間存在直接相互作用。

PRMT1是受TK1調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)

具體來(lái)說(shuō)，TK1又是如何調(diào)控PRMT1的呢？

研究人員用蛋白印記檢測(cè)了TK1過(guò)表達(dá)時(shí)PRMT1的表達(dá)情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)TK1過(guò)表達(dá)時(shí)，PRMT1蛋白表達(dá)增加、PRMT1泛素化降低（穩(wěn)定性增高）。鑒于TK1不能直接影響蛋白泛素化，研究人員推測(cè)這中間還存在一個(gè)去泛素化酶（DUB）輔助調(diào)控PRMT1的表達(dá)。

有研究顯示，正常情況下，TRIM48可與PRMT1的甲基轉(zhuǎn)移酶結(jié)構(gòu)域相互作用，調(diào)控PRMT1的泛素化和降解。在本文中，研究人員發(fā)現(xiàn)TK1過(guò)表達(dá)，顯著降低了TRIM48-PRMT1的相互作用，進(jìn)而減緩了PRMT1的降解。所以研究人員推測(cè)TK1通過(guò)中斷TRIM48介導(dǎo)的泛素化和PRMT1的降解來(lái)穩(wěn)定PRMT1。

為了驗(yàn)證這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的臨床相關(guān)性，研究人員分析了人HCC組織中TK1和PRMT1的表達(dá)水平。結(jié)果發(fā)現(xiàn)TK1的表達(dá)水平與PRMT1的表達(dá)呈正相關(guān)，且TK1或PRMT1低表達(dá)的患者普遍預(yù)后更好，這說(shuō)明TK1和PRMT1表達(dá)水平可能作為識(shí)別HCC患者預(yù)后的生物標(biāo)志物。此外，研究人員利用小鼠肝癌模型探究TK1敲除對(duì)HCC的治療潛力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，TK1敲除后小鼠生存率得到了提升。

TK1的表達(dá)水平與PRMT1的表達(dá)呈正相關(guān)

總之，該研究不僅發(fā)現(xiàn)了HCC代謝重編程的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子TK1，還揭示了TK1在HCC發(fā)展中的雙重作用機(jī)制，即通過(guò)酶依賴性和不依賴于酶的方式促進(jìn)HCC惡性進(jìn)程和糖酵解。未來(lái)可以通過(guò)靶向這兩種分子機(jī)制來(lái)發(fā)展不同的HCC治療策略。讓我們拭目以待吧～