Nature Metabolism:转录+代谢联合解析非小细胞肺癌代谢重编程机制

非小细胞肺癌(NSCLC)是世界范围内的重要死亡原因。在非小细胞肺癌中，致癌基因KRAS和编码激酶LKB1的肿瘤抑制基因STK11(也被称为LKB1)的并发突变导致侵袭性肿瘤的产生，其更容易发生转移，同时伴随着代谢重编程。

2020年11月30日，得克萨斯大学西南医学中心的Ralph J. DeBerardinis教授联合辉瑞肿瘤研究室的Keziban Unsal-Kacmaz教授等共同在Nature Metabolism（预测IF 20.0~22.5）杂志上发表题目为 《The hexosamine biosynthesis pathway is a targetable liability in KRAS/LKB1 mutant lung cancer》的研究成果，通过转录组学和代谢组学联合分析技术，对一系列带有致癌KRAS突变伴随LKB1或p53突变的基因工程小鼠模型的肿瘤组织进行了研究，深入地解析了NSCLC中代谢重编程的分子机理，并为在这种侵袭性NSCLC亚型的靶向治疗提供了理论依据。

研究材料：小鼠KRAS/LKB1共突变肿瘤组织与配对肺组织，KRAS单突变肿瘤组织，KRAS/p53共突变肿瘤组织；KRAS/LKB1共突变细胞系与KRAS单突变细胞系；

技术方法：RNA-seq+代谢组学+代谢流

实验路线图：

研究结果

1、LKB1的缺失改变KRAS突变型肺癌的代谢

研究者通过对KRAS/LKB1共突变肿瘤组织与配对肺组织进行RNA-seq分析，发现KRAS/LKB1共突变肿瘤中氨基糖与核苷酸糖代谢、果糖与甘露糖代谢以及O-glycan生物合成通路相关的基因显著富集。

进一步的代谢组学分析比较KRAS/LKB1共突变肿瘤组织与KRAS单突变以及KRAS/p53共突变之间的稳态代谢水平，发现可区分KRAS/LKB1共突变肿瘤与KRAS单突变肿瘤的代谢物也可以对KRAS/LKB1共突变肿瘤与KRAS/p53共突变肿瘤进行区分，而KRAS单突变与KRAS/p53共突变的差异代谢物则明显区别于KRAS单突变与KRAS/LKB1共突变的差异代谢物。代谢组学的结果证实了KRAS/LKB1共突变对肿瘤进行了独特的代谢重编程，主要体现在氨基糖/核苷酸糖通路和果糖/甘露糖代谢通路的变化。

2、氨基己糖途径（HBP）在KRAS/LKB1共突变细胞中上调，其速率受LKB1调节

氨基糖/核苷酸糖代谢、果糖和甘露糖代谢都对HBP有贡献。因此研究者在人类非小细胞肺癌细胞系中进行了HBP代谢流的分析，发现KRAS/LKB1共突变增强了HBP，也相应增加了细胞内O-糖基化和细胞表面糖蛋白的复杂N-聚糖结构，这可能有助于肿瘤的侵袭性。在KRAS/LKB1共突变细胞系中进行野生型LKB1表达，发现LKB1可以减少细胞中己糖胺的合成，从而抑制蛋白质的糖基化。

3、KRAS/LKB1共突变细胞依赖HBP的限速步骤，肿瘤生长对GFPT抑制敏感

谷氨酰胺-果糖-6-磷酸转氨酶（GFPT）是HBP途径的限速酶。研究者利用包括GFPT抑制剂azaserine在内的多种氨基己糖生物合成及N-糖基化抑制剂分别对KRAS/LKB1共突变细胞系以及KRAS突变细胞系进行处理，发现azaserine具有非常强的抑制毒性，表明KRAS/LKB1共突变细胞需要GFPT调控的HBP途径来生存，而且需要程度高于KRAS突变细胞。进一步的细胞与小鼠水平上的基因沉默、敲除实验结果证明，GFPT2在KRAS/LKB1共突变型细胞及肿瘤中起到主要的作用，对GFPT2的抑制可以阻滞肿瘤的生长。

小编小结

本研究通过代谢组与RNA-seq等方法，深入解析了KRAS/LKB1共突变型肿瘤的侵袭性与GFPT2调控的HBP代谢途径相关的分子机理，发现致癌KRAS突变背景下的LKB1丢失改变了代谢偏好，使癌细胞依赖于HBP和随后的糖基化途径。进一步发现HBP途径关键酶GFPT2功能抑制会影响共突变细胞和肿瘤增殖。本研究揭示了癌基因成瘾的新机制，也为KRAS/LKB1突变型肿瘤的治疗提供了新的靶点：GFPT2。