肿瘤低氧微环境对一碳代谢的调控及机制研究

One of the emerging hallmarks of cancer cells has been the deregulated cellular metabolism, which is the adaptive response when cancer cells were encountered with tumor microenvironment stress such as nutrient deprivation and hypoxia. We have documented previously that serine synthesis pathway (SSP) is activated under nutrient stress conditions (Sun L et al., 2015, Cell research). SSP is known to be involved in one carbon metabolism, which provides nucleotides, proteins, lipids, cofactors of redox homeostasis and other building blocks for metabolic reprogramming, through biosynthesis and interconversion between serine and glycine. Thus, we propose here to study the alteration of one carbon metabolism under hypoxic conditions and its effects on cancer progression. Our unpublished preliminary observations showed that many one carbon metabolism enzymes are altered under hypoxic conditions, but the regulatory mechanism and biological significance are unknown. In this study, we will further study how hypoxia regulates one carbon metabolism and explore the upstream mechanism and downstream significance. With the purpose to uncover new mechanism of carcinogenesis, we will also explore to target the deregulated one carbon metabolism related key factors for cancer therapy.

代谢重编程是肿瘤细胞的十大特征之一。前期研究中，我们揭示了营养压力条件下丝氨酸代谢通路的激活（Sun L et al., 2015, Cell research）。在此基础上，本项目将进一步研究肿瘤低氧微环境对一碳代谢的调控及其机制。一碳代谢和丝氨酸代谢紧密相连，后者可以通过形成丝氨酸、甘氨酸等参与一碳代谢循环，进而为肿瘤细胞提供核苷酸、蛋白质、脂质及维持氧化还原稳态的辅因子等生物大分子。我们尚未发表的数据表明低氧条件下，多种一碳代谢酶的表达发生改变，但是低氧调节一碳代谢的机制和生物学意义并不十分清楚。因此，本项目将在分子、细胞、动物及临床样品等不同层次，来研究低氧对一碳代谢异常的调节，并通过寻找其上游的调控分子及其下游的靶标, 来解析低氧微环境调控一碳代谢的机制及其临床意义。我们的研究目标是揭示一碳代谢异常影响肿瘤发病的新机制，并探索通过干预一碳代谢相关关键因子从而靶向治疗肿瘤的新方法。

我们前期的工作表明，丝氨酸通路的活化对于肝癌细胞在营养压力微环境条件下的存活起着至关重要的作用，但丝氨酸代谢及其相关的一碳代谢对低氧条件下肿瘤细胞的调节作用却知之甚少。本项目深入研究了低氧微环境对一碳代谢的调控，取得了系列重要进展。我们发现：1）低氧条件及低氧模拟剂处理条件下HIFs在转录水平上调MTHFD1，MTHFD1L，SHMT1的表达；敲低MTHFD1，MTHFD1L，SHMT1后可以明显抑制肝癌细胞增殖。2）进一步研究发现，抑制这些代谢酶的表达后，胞内ROS明显升高；LC/MS分析发现胞内核苷酸AMP含量明显降低。后续这些基因改变对肿瘤细胞生物学行为以及肿瘤发生发展的影响仍在深入展开中。3）敲低MTHFD1或MTHFD1L的表达可以显著抑制小鼠异植瘤的大小；临床样本分析发现这些分子的蛋白和mRNA在肝癌样本中均呈高表达趋势。4）此外，为了进一步解析低氧微环境促进肿瘤存活、增殖以及转移的分子机制，我们发现低氧通过抑制MBD2的选择性剪切，促进MBD2a的增多，MBD2c的减少。最终通过激活FZD1的表达促进EMT和乳腺癌转移，而且MBD2a和MBD2c的表达具有显著的临床相关性（Liu et al., Cancer Research, 2021）。5）同时我们利用天然化合物文库筛选发现链霉菌属黄褐链霉发酵产生的2-草酸类抗生素Actinolactomycin（ALM）是一种新型的HIF-1α抑制剂。ALM通过抑制mTOR通路磷酸化抑制HIF-1α蛋白的翻译，并且联合Everolimus用药具有良好的肿瘤治疗效果（Cheng J, et al., Cells, 2019）。在本项目资助下，共发表SCI论文3篇，均标注了本基金的支持。总体而言，我们完成了各项预定的目标。申请人也获得了中央高校面上项目，基金委面上项目等的资助。