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专家讲坛 | 威斯腾生物联合中国抗癌协会肿瘤代谢专委会网络学术沙龙系列讲座第四十九讲

时间:2021-11-12 10:06:00 浏览:194次

去年,为了配合疫情防控的要求,同时满足学术交流的需求,威斯腾生物联合中国抗癌协会肿瘤代谢专委会以线上学术报告代替线下活动,每周进行一次专题讲座,为大家带来了不一样的学术盛宴。应广大粉丝的强烈要求,我们的学术沙龙又和大家见面啦!

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中国抗癌协会肿瘤代谢专委会是在王红阳院士主发起下筹备成立的,主要聚焦肿瘤代谢特征性改变的理论基础及其对肿瘤发生发展、疾病演化、肿瘤免疫微环境形成的机制研究,与肿瘤代谢对肿瘤精准诊治和治疗转归的影响等,将搭建肿瘤代谢学科的专门平台,引领和带动肿瘤代谢研究水平的提升和学科发展,提升国内在相关研究领域的整体水平与国际地位,推动相关研究人员的学术交流和自主创新。中国抗癌协会肿瘤代谢专业委员会是一个跨专业、多学科协作的专科领域,涉及到生物化学、分子生物学、病理生理学、免疫学、生物信息学、分子影像与功能像学、辐射生物学、生物能学和临床肿瘤学等多个学科。

此次网络学术沙龙系列讲座由威斯腾生物联合中国抗癌协会肿瘤代谢专委会主办,第一讲已于2020年6月14日开讲,精彩不可错过,今天我们为大家分享威斯腾生物联合中国抗癌协会肿瘤代谢专委会网络学术沙龙系列讲座的第49讲,本次讲座由军事医学研究院生物工程研究所叶棋浓研究员向大家分享的《肿瘤糖代谢基因表达调控》,一起来回顾吧。

叶棋浓,军事医学研究院生物工程研究所研究员,博士生导师,所科技委主任,细胞工程研究室主任。国家杰出青年科学基金获得者,享受国务院政府特殊津贴。中国生物工程学会医学生物技术专业委员会主任委员,中国分析测试协会标记免疫分析专业委员会副主任委员。Frontiers in Cell and Developmental Biology和Frontiers in Oncology杂志副编辑。1989年毕业于南开大学生物系,分别于1992年和1995年获得军事医学科学院分子遗传专业硕士和博士学位,1998年10月至2002年2月在美国弗吉尼亚大学医学院做博士后研究工作。目前作为课题负责人承担了国家自然科学基金重点项目2项和面上项目1项、国家重点研发计划项目课题1项。主要从事肿瘤发生、侵袭、转移、耐药相关基因功能及机制研究,发现了一批新的调控重要信号转导通路的基因和非编码RNA,为肿瘤的诊断和治疗提供候选靶标。以通讯作者在Cancer Cell、Nature Communications、Science Advances、JCI、STTT等SCI杂志上发表研究论文70余篇。获北京市科学技术一等奖1项,军队科技进步二等奖1项。

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本次讲座中,叶棋浓教授先带大家一同回忆了细胞中糖的主要代谢途径,然后讲述了肿瘤细胞中异常的糖代谢以及其相关基因的表达调控机制。

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糖主要代谢途径

糖可为人体生命活动提供能量,为体内其他物质(氨基酸、脂质、核苷等)的合成提供原料,是重要的碳源之一,也是细胞的组成成分(糖蛋白、蛋白聚糖、糖脂等),其主要代谢途径可分为无氧氧化和有氧氧化。当机体缺氧时,1分子葡萄糖经一系列酶促反应生成2分子丙酮酸,而后被还原成乳酸。该过程被称为糖的无氧氧化,在细胞质中进行,分两个阶段:第一阶段葡萄糖生成丙酮酸的过程称为糖酵解途径(Glycolytic pathway),第二阶段就是乳酸的生成。当机体氧供充足时,葡萄糖可被彻底氧化成CO2和H2O,该过程被称为糖的有氧氧化,分三个阶段,是机体的主要供能方式。第一阶段,糖进行糖酵解,生成丙酮酸;第二阶段,丙酮酸进入线粒体,氧化脱羧生成乙酰辅酶A;第三阶段,乙酰辅酶A进入三羧酸循环(Tricarboxylic acid cycle,TCA cycle)及氧化磷酸化(Oxidative phosphorylation)。

糖代谢还包括磷酸戊糖途径(Pentose phosphate pathway),从糖酵解的中间产物6-磷酸葡萄糖开始形成旁路,生成NADPH及磷酸戊糖,磷酸戊糖再进一步转变成3-磷酸甘油醛和6-磷酸果糖而进入糖酵解途径。该过程无ATP的产生和消耗,在细胞质中进行。磷酸戊糖途径可为核酸的生物合成提供核糖,其中生成的NADPH可作为供氢体参与多种代谢反应,还可用于维持谷胱甘肽的还原状态。

此外,有一个糖代谢途径与糖酵解的逆反应有一定重合性,被称为糖异生(Gluconeogenesis),指非糖前体物如丙酮酸、甘油、乳酸、绝大多数氨基酸、三羧酸循环的中间产物等转变为葡萄糖和糖原的过程,主要在肝、肾细胞的细胞质及线粒体中进行。糖异生途径与酵解途径的大多数反应是共有的,但糖酵解途径中由3个关键酶(己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶)催化的反应不可逆,糖异生时,须由另外的反应和酶代替。

肿瘤是一种代谢异常性疾病,与正常细胞相比,肿瘤细胞会发生异常的糖代谢,即使在氧气充足的情况下仍倾向于通过糖酵解途径供能,这就是普遍存在肿瘤细胞中的沃伯格效应(Warberg effect),也是肿瘤细胞的显著特征之一。与氧化磷酸化相比,糖酵解产生ATP的效率虽低,但速度快,十分利于肿瘤细胞的快速增殖。并且肿瘤细胞可通过糖酵解获得各种代谢中间产物,可用于合成脂肪、蛋白质和核酸,以满足其活跃的合成代谢需求。此外,糖酵解过程会产生大量乳酸,导致微环境酸化,有助于肿瘤细胞的侵袭和免疫逃逸。因此,肿瘤细胞中糖酵解水平会升高,葡萄糖消耗增多,同时产生大量乳酸。其摄取的葡萄糖主要流向了糖酵解或磷酸戊糖途径,线粒体内的有氧糖代谢会相对减弱,三羧酸循环和氧化磷酸化作用也会受阻。近年研究表明,除葡萄糖和谷氨酰胺外,肿瘤细胞还可利用乳酸、醋酸盐、酮体等其他物质,通过线粒体TCA循环产生大量ATP以促进增殖、抵抗凋亡。另外,肿瘤细胞磷酸戊糖途径的代谢活性也会显著增强,该通路可为肿瘤合成代谢提供大量NADPH以维持氧化还原稳态。

肿瘤糖代谢基因表达调控机制

1. 糖代谢相关基因转录水平的表达调控

(1)缺氧诱导因子1(Hypoxia-inducible factor-1,HIF-1)

可上调GLUT1/3(靶向葡萄糖转运蛋白)及相关基因的表达来增加葡萄糖的摄取,以促进糖酵解;刺激MCT4(单羧酸转运蛋白)以促进乳酸的生成;上调PDK1(丙酮酸脱氢酶激酶),抑制PDH(丙酮酸脱氢酶),以抑制三羧酸循环。

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(2)C-Myc癌基因

可增加葡萄糖摄取,促进糖酵解,抑制三羧酸循环。虽然C-Myc与HIF-1作用相似,但在缺氧条件下,HIF-1会抑制c-Myc活性。

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(3)P53抑癌基因

可影响糖酵解、氧化磷酸化、磷酸无糖途径中多基因的表达。如下图,P53可激活TIGAR、Parkin的表达来抑制糖酵解。

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(4)SIX1

可调控糖酵解中多个基因的表达,从而影响肿瘤的生长。

2. 糖代谢相关基因转录后的表达调控

转录后的基因调控与一些非编码RNA(Non-coding RNAs)息息相关,如microRNA、IncRNA、circRNA等。

microRNA(miRNA)是一种内源性单链小分子RNA,长约21 nt,其DNA序列在近源物种间高度保守。miRNA能与靶mRNA进行特异性碱基配对,引发靶mRNA的降解或抑制其翻译,从而影响靶mRNA的表达。如miR-135,它可靶向糖酵解中的关键酶PFK1,通过抑制其表达来抑制糖酵解。

IncRNA(长链非编码RNA),其转录本长度超过200 nt,不编码蛋白,可作为竞争性内源RNA与miRNA结合,在细胞中起miRNA海绵作用来调控基因转录。如LINC01123可与miR-199a-5p互补,从而促进c-MYC的表达及翻译。IncRNA也可与蛋白结合,来调控蛋白功能、定位,如IncRNA HULC可促进LDHA与PKM2的磷酸化,以促进有氧糖酵解。此外,IncRNA可通过与蛋白复合物一同结合到基因启动子区或是与编码蛋白基因的mRNA形成互补双链来调控基因的表达水平。

circRNA(环状RNA),不具有5'端帽子和3'端poly(A)尾巴,呈闭合环状,不易被核酸外切酶降解。它主要由外显子经特殊可变剪切产生,存在于细胞质;少部分来源于内含子,存在于细胞核。与IncRNA作用相似,circRNA同样可通过起miRNA海绵作用、与蛋白结合、与靶mRNA 3'-UTR结合等来调控靶基因表达。绝大多数circRNA是非编码的,但也有少数可翻译为多肽。

3. 糖代谢相关基因翻译后的表达调控

蛋白质翻译后常会进行一系列的翻译后加工,以增加蛋白种类,使其结构更复杂、功能更完善、作用更专一、调控更精确。常见的修饰作用有磷酸化、乙酰化、甲基化、泛素化、糖基化、SUMO化等。如PKM2(丙酮酸激酶),经ERK1/2介导的磷酸化后,由细胞质被转运至细胞核,可促进细胞沃伯格效应;经CARM1甲基化后,可激活有氧糖酵解以促进肿瘤发生。

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叶教授团队就癌细胞中SIX1基因在转录水平对沃伯格效应的调控机制进行了深入研究。SIX1是调控肿瘤糖酵解基因的关键因子,与沃伯格效应及肿瘤生长的密切相关,可与组蛋白乙酰转移酶HBO1、AIB1互作,来促进糖酵解相关基因的表达,也会被miR-548a抑制,从而抑制糖酵解过程。叶教授团队对SIX1的结构及功能进行了相关验证,质谱结果显示SIX1存在翻译后的磷酸化修饰,磷酸化后的SIX1会丧失调控糖酵解相关基因表达及促进肿瘤细胞增殖、迁移和侵袭的能力。

第50次的分享将在10月17日早上9:00--11:30进行,中国医学科学院肿瘤医院,将向大家分享《铁死亡与肿瘤的发生发展》,赶紧关注起来吧。

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