SUCLA2在解酮代谢和肿瘤发展中的作用及机制研究

Succinyl-CoA synthetase (SCS) is an important ATP-generating enzyme in TCA cycle. The ADP or ATP-binding β subunit is overexpressed in human hepatocarcinoma. However, its role in tumorigenesis is unclear besides its well-known regulation of TCA cycle. Our preliminary data showed that under hypoxia and serum starvation conditions, SUCLA2 is critical for ketolysis. Metabolic stress induces the phosphorylation of SUCLA2 by ERK, thus promotes the interaction of SUCLA2 with OXCT1, enhances OXCT1 succinylation and enzyme activity. We hypothesize that SUCLA2 plays instrumental roles in ketolysis and tumorigenesis by local generation of succinyl-CoA and regulating OXCT1 succinylation and enzyme activity. To test this hypothesis, we will pursue three specific aims: (1) To determine the role of SUCLA2 phosphorylation in ketolysis; (2) to determine the role of SUCLA2-mediated OXCT1 succinylation in ketolysis; (3) to determine the role of SUCLA2-mediated OXCT1 succinylation in tumor cell proliferation and liver tumor development. The proposed research is significant because it could lead to pharmaceutical approaches to interrupt cancer metabolism by blocking the dual functions of SUCLA2 in ketolysis and TCA cycle; this would, in turn, improve the efficacy of human cancer treatment.

琥珀酰辅酶A合成酶是三羧酸循环中重要的一个ATP产生酶，其与ADP或者ATP结合的β亚基SUCLA2在人肝癌组织高表达，然而SUCLA2在肿瘤发展中的作用尚不清楚。我们前期研究结果表明SUCLA2为低氧低血清条件下解酮代谢所必需。在细胞处于代谢应激时，SUCLA2能被ERK2磷酸化，进而显著增加和OXCT1的结合，并促进OXCT1琥珀酰化和酶活。因此，我们提出假说：SUCLA2通过局部产生琥珀酰辅酶A促进OXCT1琥珀酰化和酶活, 从而在解酮代谢和肿瘤发展中发挥重要作用。要验证这一假说，我们提出以下目标：（1）确定SUCLA2磷酸化在解酮代谢中的作用。（2）确定SUCLA2介导的OXCT1琥珀酰化在解酮代谢中的作用。（3）确定SUCLA2介导的OXCT1琥珀酰化在肿瘤细胞增殖和肝癌形成中的作用。这项研究有助于开发新药干扰SUCLA2的功能，抑制肿瘤解酮代谢，最终提高肿瘤治疗效果。

成人肝脏正常肝细胞产生的酮体仅用于非肝组织作为能量来源。然而，在肝癌细胞中，酮类分解被重新激活，其机制很大程度上尚不清楚。在这里，我们证明了OXCT1，一个酮分解的限速酶，在肝癌细胞的低氧刺激下，与琥珀酰辅酶A合成酶β亚单位(SUCLA2)相互作用。这种相互作用的结果是通过ERK2对接槽将ERK2与SUCLA2结合，然后由ERK2磷酸化SUCLA2 S124，随后招募PIN1和PIN1介导的SUCLA2的顺反异构化。OXCT1相关的SUCLA2产生局部可用的琥珀酰辅酶A，它不仅作为OXCT1催化反应的底物，而且直接促进K421处的OXCT1琥珀酰化和随后的OXCT1激活。SUCLA2调节的OXCT1激活极大地促进了酮类分解，导致乙酰辅酶A和ATP的产生增加，在小鼠体内肝癌细胞增殖和肿瘤生长。我们的研究强调了SUCLA2偶联和琥珀酰辅酶A水平依赖的OXCT1琥珀酰化和解酮酶活性的调节，并强调了代谢产物在肝癌发展中的关键调节作用。此外，在该项目支持下的相关工作同期揭示了：代谢酶PHGDH通过丝氨酸和一碳代谢途径调控SAM水平，进而通过表观修饰途径最终抑制固有免疫应答基因表达等， 申请人已申请两项相关专利并推进临床转化；代谢酶MTHFD2通过一碳代谢和HBP代谢途径调控UDP-GlcNAc水平，进而通过转录调控因子cMyc等的O-GlcNAc修饰促进免疫抑制基因PD-L1等表达，促肿瘤获得性免疫耐受。 总体上，在本项目资金的支持下，相关研究成果以本项目为主要标注项目，以负责人为通讯作者发表原创论文在Cell metabolism， Nature Communications，Cellular and Molecular Immunology等多个主流期刊，作为发明人申请专利两项，同期负责人做国内会议口头报告两次。