葡萄膜黑色素瘤（uveal melanoma, UM）是起源于眼球內血管膜的惡性腫瘤，也是成人最常見的眼內惡性腫瘤。UM惡性度高、易轉移，約一半的UM患者在疾病過程中發(fā)生肝轉移。UM患者一旦發(fā)生轉移，生存期很短，肝轉移患者中位無進展生存期和總生存期僅為3.3個月和10.2個月。同時，與皮膚和黏膜等其他部位黑色素瘤不同，UM對化療、放療和免疫治療等均不敏感，上述治療對提高生存率和生存期的作用極其有限。UM發(fā)病隱匿，早期不易發(fā)現，加之對該病認識不足，導致我國UM晚期患者比例高、病情重。因此，尋找UM有效治療靶點，降低UM死亡率是亟待解決的臨床難題。
圖1：論文封面
近日，上海交通大學醫(yī)學院范先群院士團隊和精準醫(yī)學院執(zhí)行院長雷鳴教授團隊聯合研究揭示了葡萄膜黑色素瘤糖異生關鍵酶別構激活機制，也闡明了乙酰輔酶A如何別構調控丙酸羧化酶的這一關鍵科學問題，研究結果以論著形式于近日發(fā)表于Cell子刊Molecular Cell。（圖1）
圖為范先群院士
上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院眼科的前期研究顯示，代謝重編程是UM惡性特征之一，腫瘤細胞通過無氧糖酵解、谷氨酰胺代謝、非主要供能物質供能等代謝重編程，適應缺氧的微環(huán)境，滿足自身快速增殖時的物質和能量需求（Yu et al. Genome Biol，2021）。研究發(fā)現，糖異生的異常激活與UM肝轉移密切相關，是治療轉移性UM的理想靶點（Nat Rev Cancer. 2013）。同時，丙酸羧化酶（pyruvate carboxylase, PC）是催化丙酮酸的羧化生成草酰乙酸的關鍵酶，也是糖異生的第一步限速步驟。這一過程中，乙酰輔酶A作為重要的別構激活代謝物，參與該反應的過程。然而，乙酰輔酶A介導的丙酮酸羧化酶別構調控機制在UM的發(fā)病中的作用尚不清楚。
圖為雷鳴教授開展科研實驗
針對該關鍵科學問題，上海九院眼科柴佩韋博士和上海精準醫(yī)學研究院蘭鵬飛研究員等在范先群院士和雷鳴教授指導下，在丙酸羧化酶中特異引入了四個點突變，破壞乙酰輔酶A和丙酸羧化酶的作用位點，促進丙酸羧化酶自我激活。團隊研究發(fā)現，在葡萄膜黑色素瘤細胞中，自我激活丙酸羧化酶的表達顯著抑制細胞生長和克隆形成；自我激活的丙酸羧化酶的過度表達導致線粒體中草酰乙酸的顯著增加和乙酰輔酶A的含量減少。這一結果表明，自我激活的丙酸羧化酶活性的提高消耗了更多的丙酮酸來生產草酰乙酸，因此丙酮酸脫氫酶可以將較少的丙酮酸轉化為乙酰輔酶A。伴隨著乙酰輔酶A的減少，研究人員還觀察到表達自我激活的丙酸羧化酶的細胞中檸檬酸鹽水平降低，這與線粒體中大多數乙酰輔酶A被消耗用于檸檬酸鹽合成的事實一致。上述結果表明，對乙酰輔酶A調節(jié)敏感的功能性丙酸羧化酶對于葡萄膜黑色素瘤等細胞的代謝穩(wěn)態(tài)和氧化呼吸至關重要。（圖2）
圖2
那么，乙酰輔酶A如何誘導丙酸羧化酶復合物中的生物素羧化穩(wěn)定呢？研究人員捕獲了一系列乙酰輔酶A/丙酸羧化酶復合物的結構，分別純化了生物素羧化（BC）結構域和羧基轉位（CT）結構域。對這些結構的比較分析表明，生物素羧化結構域的穩(wěn)定性與乙酰輔酶A結合之間存在顯著的相關性。進一步的冷凍電鏡分析表明，乙酰輔酶A誘導復合物中生物素羧化結構域的穩(wěn)定，從而形成與天然丙酸羧化酶復合物難以區(qū)分的構象。綜上所述，該研究結果表明，乙酰輔酶A在生物素羧化的穩(wěn)定結合中起著中介作用，并有助于形成生物素羧化和PT-CT-BCCP更穩(wěn)定的結構（圖3），乙酰輔酶A在丙酸羧化酶催化轉化過程中降低了活化熵并誘導了更有序的熱力學構型，這是以前的晶體結構研究無法解釋的。
圖3：Acetyl-CoA介導BC和PT-CT-BCCP形成更穩(wěn)定的結構
由于丙酸羧化酶是重要的代謝調控酶，在胰島素分泌、脂肪生成和神經遞質生物合成中起著至關重要的作用，也是肥胖、糖尿病、病毒感染和癌癥的重要靶點。鑒于丙酸羧化酶的變構效應在多種疾病的代謝重編程中起著重要作用，丙酸羧化酶與乙酰輔酶A復合物的結構信息在肥胖癥、糖尿病、病毒感染和惡性腫瘤的藥物研發(fā)擁有重要治療意義。
團隊負責人介紹
范先群教授，中國工程院院士，長江學者特聘教授，眼科學專家，上海交通大學講席教授。現任上海交通大學副校長、上海交通大學醫(yī)學院院長、中國醫(yī)院發(fā)展研究院院長，上海市眼眶病眼腫瘤重點實驗室主任，上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院眼科學科帶頭人。兼任亞太眼腫瘤眼病理學會主席，亞太眼整形外科學會第五屆主席，國際眼科科學院院士、英國皇家眼科學院院士和愛丁堡皇家外科學院榮譽院士。榮獲兩項國家科技進步二等獎（第一完成人），何梁何利科技進步獎，亞太眼科科學院首屆創(chuàng)新者大獎、亞太眼科最高學術成就獎De Ocampo Lecture獎。
雷鳴，研究員，博士生導師，上海交通大學醫(yī)學院精準醫(yī)學研究院執(zhí)行院長。長期致力于生物大分子結構和分子機理及其在癌癥和衰老中的作用等科研工作，在Cell、Nature、Science等國際頂級學術期刊上發(fā)表論文60余篇。
