解析肝癌发生发展过程中心碳代谢变化及其机制的研究

In our previous experiments, we performed metabolic flux studies on HCC cell lines and tissues from patients using mass spectrometry-based metabolomics and stable isotope tracing; our preliminary experiments showed a significant increase of metabolic flux through glycolysis and pentose phosphate pathways (PPP). These phenotypic alterations were consistent with microarray analysis on tissues from HCC patients. We further identified unique features of metabolic reprogramming in HCC with a significant down-regulation of the key glycolytic enzyme PFKL while up-regulation of the rate-limiting enzyme G6PD in PPP. For this project, we propose to systematically investigate the metabolic reprogramming of HCC(activated glycolytic and PPP) and the roles of these metabolic alterations on initiation and progression of HCC. The therapeutic potential of modulating these metabolic pathways on HCC will be explored in animal models. Furthermore, the metabolic feature with differential expression of PFKL and G6PD during HCC initiation and progression will be validated in large clinical samples and the potential of using these unique metabolic characteristics as a diagnostic and prognostic tool will be tested. We content that successful completion of this project will shed light into the novel mechanisms for HCC initiation and progression and the unique metabolic reprogramming networks may provide potential novel therapeutic targets and diagnostic biomarkers for HCC.

鉴于我们前期的结果在病人肝癌组织不同阶段，其中心代谢的糖酵解速率、磷酸戊碳糖途径和三羧酸循环途径代谢流量显著性增加，并且其糖酵解途径的代谢酶PFKL显著性下调，但同时磷酸戊碳糖途径限速酶G6PD显著性上调等特点。因此本课题将深度解析肝癌发生发展的代谢网络重构及其分子调控机制。首先再继续增加对临床病人肝癌组织样本的代谢层面研究，鉴定其肝癌发生发展过程的关键代谢物及其主要代谢通路的变化；其次，对上述临床配对组织进行基因和蛋白表达的基因芯片分析测试，以期鉴定出介导其代谢重构的重要基因和蛋白。最后回到人肝癌细胞系和人肝癌的裸鼠模型进行基因改造、添加抑制剂等干预实验，并结合分子生物学和代谢组学等功能实验验证其对肿瘤发生发展的影响。以此鉴定和揭示出肝癌发生和发展过程的重要代谢物和重要代谢通路及其调控机制，以期获得肝癌早期诊断的标志物和治疗靶标。

肝癌是一种代谢性异常的代谢性疾病。从正常肝细胞发展到肝癌的过程中，其主要代谢途径发生了变化，其基因和蛋白表达也发生了显著性的变化。究竟哪些基因和蛋白参与到这些代谢变化中并起到主要调控作用促进肿瘤的发展，目前机制是不清楚的。为此，我们解析肝癌发生发展过程中心碳代谢变化及其调控机制的研究，主要从以下三个方面着手开展：第一，我们基于临床病人的配对组织出发，模拟病人肝癌的发生发展过程，从正常肝组织-肝肿瘤早期-肝肿瘤PVTT晚期这一过程开始，利用13C-glucose代谢流量分析方法示踪了活体组织的代谢通路的分布变化，鉴定出肝肿瘤细胞从肝正常细胞以糖酵解为主的代谢通路转变为主要依靠磷酸戊糖途径和TCA为主的代谢通路；第二，我们主要通过病人配对的基因芯片和蛋白组织芯片，解析出参与肿瘤代谢变化的主要基因和蛋白是糖酵解中PFKL和ALDOB以及G6PD等几十个主要的代谢基因，但结合临床的病人组织芯片的结果与肝癌病人预后生存的相关性分析，其中最为关键的基因和蛋白是ALDOB和G6PD的表达变化。即在肝癌形成过程中，ALDOB的表达不断减少，但G6PD的表达不断增加，从而表现出ALDOB是抑肝癌的功能，而G6PD表现出促癌基因的功能；第三，通过扰动ALDOB和G6PD的基因表达，从细胞体外和肝癌动物模型体内表达实验，验证了ALDOB和G6PD在肝癌发展过程中，通过ALDOB直接与G6PD相互作用并抑制了G6PD的酶活，抑制了磷酸戊糖的代谢，因此，肿瘤细胞为了逃逸这种抑制，通过丢失转录因子JAK2-stat5a的信号通路，减少了stat5a的表达，并减少了对aldob的转录调控，从而减少了ALDOB的表达，进而解除了ALDOB对G6PD的抑制并促进磷酸戊糖的代谢，促进了肿瘤细胞的发展。因此，通过ALDOB与G6PD的直接相互作用并抑制G6PD的酶活，作为开关按钮调控着肝癌肿瘤细胞的代谢分布，从而影响着肿瘤细胞的生长的调控机制，揭示出ALDOB是肝癌早期诊断和治疗的潜在性药物靶点；同时JAK2-STAT5A-ALDOB-G6PD的信号通路也是肝癌的潜在性治疗目标途径。