胰腺癌中神经元可以释放丝氨酸来支持基因翻译

文章亮点：

1、在胰腺癌中的神经元可以释放丝氨酸来支持基因翻译；

2、PDAC胰腺癌细胞表现出很强的代谢适应性；

3、丝氨酸的缺失通过影响基因翻译降低线粒体活性；4、丝氨酸的缺失可以降低三羧酸和三羧酸丝氨酸密码子的翻译水平。

文章引言：

胰腺导管腺癌（pancreatic ductal adenocarcinoma，PDAC）是所有实体瘤中，致死率最高的癌症类型之一，这也让它得到了“癌症之王”的称号。胰腺导管腺癌(PDAC)肿瘤具有营养不良、促结缔组织增生和高度神经支配的肿瘤微环境。胰腺导管腺癌(PDAC)患者的一个常见症状是神经性疼痛，大多数PDAC肿瘤显示神经周围浸润。这也就说明了神经支配可能起到支持肿瘤生长的作用。丝氨酸（Ser）是一种条件性必需氨基酸，可以从微环境中获得，也可以通过丝氨酸生物合成途径(SBP)从葡萄糖中产生，是人类蛋白质中含量第二高的氨基酸。Ser也用来产生Gly，Gly可以用来合成蛋白质或谷胱甘肽。因为丝氨酸是多种代谢途径所必需的，它可能成为几种癌症生长和存活的限速因素。在营养缺乏的情况下，癌细胞是如何吸引神经元支配肿瘤，从而向肿瘤运输营养？

文章结果：

图1：轴突可以分泌丝氨酸用来支持依赖于外源丝氨酸的PDAC生长。采用轴突分离装置对大鼠背根神经节细胞（DRGs）进行轴突培养24h，同时检测环境内的各种氨基酸的浓度，主要是看丝氨酸（Ser）的含量，因为丝氨酸是依赖型ex-Ser PDAC 所必须的条件，发现Ser的浓度在增加，说明产生了Ser。随后验证了Ser的产生是否是由于动作电位的产生而导致的，结果发现Ser增加的同时伴无动作电位的产生，将轴突放在具有一定浓度的Ser/Gly中培养，发现Ser和Gly都在增加。说明这个Ser的产生是由于轴突分泌导致的，且用来支持依赖型ex-Ser PDAC的生长。

图2：人的PDAC细胞系需要外源Ser来维持生长条件。接下来评估了人的PDAC细胞系对Ser/Gly的敏感程度，2A-2B发现在无Ser/Gly条件下，一些依赖型ex-Ser PDAC 细胞几乎不增长，说明没有Ser时依赖型ex-Ser PDAC 细胞完全靠Ser来进行增殖；2C-2F用13C同位素标记PDAC细胞，检测Ser的分级标记，发现在无Ser/Gly时，PHGDH和PSAT1这两个丝氨酸合成途径的关键酶的表达量低于非依赖型ex-Ser PDAC，丝氨酸的合成代谢受阻，导致葡萄糖转化为丝氨酸的能力减弱；2G-2F的免疫组化染色也说明了这个问题。

图3：轴突可以在缺乏Ser/Gly下支持依赖外源Ser PDAC细胞的生长。接着又评估了轴突对依赖型ex-Ser PDAC细胞生长的影响，首先进行一个轴突和依赖型ex-Ser PDAC细胞PATU-8902的共培养，发现在无Ser/Gly培养时，PATU-8902的增殖得到了一个挽救，然后在第6天和12天检测细胞的增殖情况也发现了类似的挽救效果，说明轴突释放的Ser支持了PDAC的生长；接着验证了人胰腺星状细胞（HPSC）分泌的丙氨酸是否是PDAC生长的必要条件，采用共培养的方式，发现在无Ser/Gly培养时，5倍的HPSC并未对PDAC细胞的生长有一个挽救作用，说明丙氨酸并不是PDAC生长的必要氨基酸，支持PDAC生长的还是轴突释放的Ser。

图4：丝氨酸通过其对蛋白质合成的重要性间接调节PDAC细胞的线粒体活性。继续验证Ser是如何调节PDAC的生长和作用，首先采用同位素标记C探索三羧酸循环中葡萄糖的数量变化，发现非依赖型ex-Ser PDAC在无Ser/Gly的情况下的个数在减少，NADH/NAD+的比率在依赖型ex-Ser PDAC有一个高表达，说明代谢失衡，导致线粒体的活性变弱；接着检测了BIP和ATF4这两个氨基酸传感信号通路的关键因子，发现无Ser/Gly时都能激活ATF4通路，BIP通路则降低，用蛋白质合成抑制剂CHX处理，依赖型ex-Ser PDAC耗氧量减弱，NADH/NAD+的比率增强，说明Ser可以影响mRNA的翻译水平导致蛋白质合成减少，从而减低ATP的需求减弱线粒体活性。

图5：缺乏Ser/Gly时，通过丝氨酸密码子的差异来调节蛋白质的合成。首先根据文献进行GFPD2荧光载体的的构建检测Ser的密码子，可以发现TCC和TCT密码子的荧光下降最多，且在无Ser/Gly时，TCC和TCT的核糖体的密度最大，意味着二者在翻译时有一个明显的停滞，且在tRNA的富集程度也和有Ser/Gly时有差异，说明丝氨酸在有Ser/Gly和无Ser/Gly时翻译水平不一致；然后计算了受TCC和TCT影响最小的基因，其中就包括了神经生长因子（NGF）,NGF的功能是可以促进神经生长，无Ser/Gly时NGF在有高表达，说明在缺乏Ser时，PDAC通过增加NGF的分泌来促进神经生长。

图6：无Ser/Gly饮食和LOXO-101影响ExSer依赖型PDAC(PATU-8902)的生长和神经浸润。用不含Ser的食物去喂养携带胰腺癌肿瘤的小鼠，发现可以将肿瘤的生长速度减低50%，用免疫荧光检测肿瘤的神经浸润，在无Ser/Gly饮食中神经浸润高于普通饮食；再用LOXO-101（靶向抑制NGF的受体Trk活性的精准疗法）与无Ser/Gly饮食一同喂养，能够再将无Ser/Gly饮食的肿瘤生长速度接着再降低50%，神经浸润也降低，表明神经的生长确实能够支持胰腺癌细胞在缺乏Ser中生长。

图7：轴突代谢支持PDAC Ser的区域限制。通过p-elF2a染色测定小鼠的肿瘤应激水平，发现SG饮食和LOXO-101治疗显示出比对照肿瘤更高的应激水平，且p-eIF2a染色在离神经最远的老鼠身上更高；另外，SG饮食和LOXO-101处理的小鼠具有显著较低的成纤维细胞因子水平和较高的神经生长因子表达，表明Trk抑制通过阻断在Ser/Gly剥夺条件下代谢支持PDAC细胞的肿瘤神经支配。接下来，评估了患有高和低PDAC肿瘤的患者是否在神经支配和信号传导上表现出相似的效果，可以发现PHGDH高表达或高水平的PDAC患者的总生存率明显较低、具有低水平的神经，而高PGP9.5染色的肿瘤具有低水平的PHGDH染色。这些观察结果与Ser在PDAC微环境中受到限制是一致的，并且Ser剥夺与肿瘤神经支配的增加有关。