葡萄膜黑色素瘤（uveal melanoma, UM）是起源于眼球內(nèi)血管膜的惡性腫瘤，也是成人最常見的眼內(nèi)惡性腫瘤。UM惡性度高、易轉(zhuǎn)移，約一半的UM患者在疾病過程中發(fā)生肝轉(zhuǎn)移。UM患者一旦發(fā)生轉(zhuǎn)移，生存期很短，肝轉(zhuǎn)移患者中位無進(jìn)展生存期和總生存期僅為3.3個(gè)月和10.2個(gè)月。同時(shí)，與皮膚和黏膜等其他部位黑色素瘤不同，UM對(duì)化療、放療和免疫治療等均不敏感，上述治療對(duì)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(xiàn)，加之對(duì)該病認(rèn)識(shí)不足，導(dǎo)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(diǎn)，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(xué)醫(yī)學(xué)院范先群院士團(tuán)隊(duì)和精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)院執(zhí)行院長雷鳴教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合研究揭示了葡萄膜黑色素瘤糖異生關(guān)鍵酶別構(gòu)激活機(jī)制，也闡明了乙酰輔酶A如何別構(gòu)調(diào)控丙酸羧化酶的這一關(guān)鍵科學(xué)問題，研究結(jié)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(xué)醫(yī)學(xué)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(xì)胞通過無氧糖酵解、谷氨酰胺代謝、非主要供能物質(zhì)供能等代謝重編程，適應(yīng)缺氧的微環(huán)境，滿足自身快速增殖時(shí)的物質(zhì)和能量需求（Yu et al. Genome Biol，2021）。研究發(fā)現(xiàn)，糖異生的異常激活與UM肝轉(zhuǎn)移密切相關(guān)，是治療轉(zhuǎn)移性UM的理想靶點(diǎn)（Nat Rev Cancer. 2013）。同時(shí)，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(guān)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(gòu)激活代謝物，參與該反應(yīng)的過程。然而，乙酰輔酶A介導(dǎo)的丙酮酸羧化酶別構(gòu)調(diào)控機(jī)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(shí)驗(yàn)
針對(duì)該關(guān)鍵科學(xué)問題，上海九院眼科柴佩韋博士和上海精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究院蘭鵬飛研究員等在范先群院士和雷鳴教授指導(dǎo)下，在丙酸羧化酶中特異引入了四個(gè)點(diǎn)突變，破壞乙酰輔酶A和丙酸羧化酶的作用位點(diǎn)，促進(jìn)丙酸羧化酶自我激活。團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，在葡萄膜黑色素瘤細(xì)胞中，自我激活丙酸羧化酶的表達(dá)顯著抑制細(xì)胞生長和克隆形成；自我激活的丙酸羧化酶的過度表達(dá)導(dǎo)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(jié)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(chǎn)草酰乙酸，因此丙酮酸脫氫酶可以將較少的丙酮酸轉(zhuǎn)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(dá)自我激活的丙酸羧化酶的細(xì)胞中檸檬酸鹽水平降低，這與線粒體中大多數(shù)乙酰輔酶A被消耗用于檸檬酸鹽合成的事實(shí)一致。上述結(jié)果表明，對(duì)乙酰輔酶A調(diào)節(jié)敏感的功能性丙酸羧化酶對(duì)于葡萄膜黑色素瘤等細(xì)胞的代謝穩(wěn)態(tài)和氧化呼吸至關(guān)重要。（圖2）
圖2
那么，乙酰輔酶A如何誘導(dǎo)丙酸羧化酶復(fù)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(fù)合物的結(jié)構(gòu)，分別純化了生物素羧化（BC）結(jié)構(gòu)域和羧基轉(zhuǎn)位（CT）結(jié)構(gòu)域。對(duì)這些結(jié)構(gòu)的比較分析表明，生物素羧化結(jié)構(gòu)域的穩(wěn)定性與乙酰輔酶A結(jié)合之間存在顯著的相關(guān)性。進(jìn)一步的冷凍電鏡分析表明，乙酰輔酶A誘導(dǎo)復(fù)合物中生物素羧化結(jié)構(gòu)域的穩(wěn)定，從而形成與天然丙酸羧化酶復(fù)合物難以區(qū)分的構(gòu)象。綜上所述，該研究結(jié)果表明，乙酰輔酶A在生物素羧化的穩(wěn)定結(jié)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(jié)構(gòu)（圖3），乙酰輔酶A在丙酸羧化酶催化轉(zhuǎn)化過程中降低了活化熵并誘導(dǎo)了更有序的熱力學(xué)構(gòu)型，這是以前的晶體結(jié)構(gòu)研究無法解釋的。
圖3：Acetyl-CoA介導(dǎo)BC和PT-CT-BCCP形成更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)
由于丙酸羧化酶是重要的代謝調(diào)控酶，在胰島素分泌、脂肪生成和神經(jīng)遞質(zhì)生物合成中起著至關(guān)重要的作用，也是肥胖、糖尿病、病毒感染和癌癥的重要靶點(diǎn)。鑒于丙酸羧化酶的變構(gòu)效應(yīng)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(fù)合物的結(jié)構(gòu)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(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人介紹
范先群教授，中國工程院院士，長江學(xué)者特聘教授，眼科學(xué)專家，上海交通大學(xué)講席教授。現(xiàn)任上海交通大學(xué)副校長、上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院眼科學(xué)科帶頭人。兼任亞太眼腫瘤眼病理學(xué)會(huì)主席，亞太眼整形外科學(xué)會(huì)第五屆主席，國際眼科科學(xué)院院士、英國皇家眼科學(xué)院院士和愛丁堡皇家外科學(xué)院榮譽(yù)院士。榮獲兩項(xiàng)國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)（第一完成人），何梁何利科技進(jìn)步獎(jiǎng)，亞太眼科科學(xué)院首屆創(chuàng)新者大獎(jiǎng)、亞太眼科最高學(xué)術(shù)成就獎(jiǎng)De Ocampo Lecture獎(jiǎng)。
雷鳴，研究員，博士生導(dǎo)師，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究院執(zhí)行院長。長期致力于生物大分子結(jié)構(gòu)和分子機(jī)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(jí)學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文60余篇。
