「窮則思變」—當營養物質受限時，看癌細胞如何利用「敵對」環境求生存

胰腺導管腺癌（PDAC）內的癌細胞形成腺體樣結構，包裹在富含膠原蛋白的網狀組織中，其中缺乏營養物質和氧氣，限制了腫瘤細胞的生存。腫瘤細胞如何改變代謝並在這種環境下存活甚至增殖不得而知。來自法國國家健康與醫學研究院（Institut National de la Sante et de la Recherche Medicale）的研究團隊首次發現，當面對有限的營養物質時，PDAC細胞可利用膠原蛋白（collagen）作為營養源，膠原蛋白衍生的脯氨酸促進TCA循環，並促進細胞的存活和增殖。該論文發表在《Nature Communications》上。

胰腺導管腺癌（PDAC）在所有類型的癌症中死亡率是最高的，大部分患者在確診後生存期小於2年。PDAC腫瘤具有特殊的組織結構，其中的癌細胞形成腺體結構，被緊密的結締組織包圍，該結締組織由活化的成纖維細胞，免疫細胞，神經元和緻密的膠原蛋白網構成。因此阻礙血管形成，限制化療葯的輸送，並導致遞送到腫瘤細胞的氧和營養物質減少。

很多研究顯示，突變型K-RAS促進葡萄糖代謝，為PDAC細胞提供ATP。此外，突變體K-RAS通過巨胞飲作用大量攝取細胞外可溶性蛋白質作為氨基酸來源，以維持營養應激時的生存和增殖。但這些情況下輸送的營養物質有限，體內胰腺腫瘤細胞的營養來源仍然未知。

膠原蛋白主要由成纖維細胞合成，被PDAC微環境中的胞外蛋白酶分解成片段，膠原片段可誘導細胞中的下游信號轉導或內吞作用。成纖維細胞胞吞的膠原片段被細胞內蛋白酶降解成單個氨基酸，包括脯氨酸（proline），其占膠原蛋白總氨基酸組成的25％。

膠原蛋白I和IV是人類PDAC中發現的主要膠原蛋白，作者通過免疫組化染色證實PDAC腫瘤富含這些膠原蛋白。並發現相關的蛋白酶如基質金屬蛋白酶13，2，9和脯氨酸肽酶存在於腫瘤微環境中，表達量增加。

作者利用DQ-熒光素綴合的膠原蛋白I或IV來觀察蛋白質的攝取和切割。這些熒光團在完整的蛋白質內被淬滅，僅在蛋白質分解後才能觀察到熒光。結果發現，在正常氧和缺氧培養條件下都容易觀察到膠原蛋白I和IV的攝取。在剝奪葡萄糖或谷氨醯胺時，膠原蛋白I和IV的吸收量在正常氧細胞中都顯著增加；然而，在缺氧細胞中沒有觀察到相同程度的增加。在剝奪葡萄糖後，巨胞飲抑制劑EIPA增強熒光，而剝奪谷氨醯胺無此作用。當葡萄糖低時，缺氧會鈍化EIPA的作用。表明剝奪葡萄糖或谷氨醯胺促進了PDAC細胞對膠原I和IV蛋白的攝取和分解， 分別依賴和獨立巨胞飲作用。

除了巨胞飲作用之外，膠原攝取的另一種機制是由膠原受體uPARAP / Endo180介導的內吞作用。在小鼠和人PDAC樣品中，uPARAP / Endo180在PDAC中高度表達並且定位於腺體樣結構。

在培養PK4A細胞72小時後，沒有葡萄糖補充的情況下，發現可溶性或塗層膠原蛋白的補充顯著增加胰腺癌細胞的存活。而EIPA降低細胞存活率，進一步表明在葡萄糖限制條件下膠原蛋白的巨胞飲促進細胞存活。在K-RAS的下游，發現在葡萄糖和谷氨醯胺缺乏條件下，膠原蛋白增加ERK1 / 2磷酸化，但是幾乎不影響下游mTORC1信號的傳導。因此，膠原蛋白既能挽救胰腺腫瘤細胞的存活，也可以增加葡萄糖和/或谷氨醯胺缺乏後的ERK1 / 2通路的活化，而不影響mTORC1信號級聯。

參與脯氨酸代謝的酶PRODH1在PDAC細胞中高表達。在營養有限（1mM葡萄糖和0.5mM谷氨醯胺）的條件下，DHP（PRODH1的競爭性抑制劑）會降低細胞的存活和增殖，而加入過量的游離脯氨酸可以拯救DHP處理細胞的存活和增殖。表明在葡萄糖和谷氨醯胺受限制的條件下，脯氨酸的分解代謝可以促進細胞的存活和增殖。有趣的是，阻斷脯氨酸的代謝顯著增加在低谷氨醯胺條件下培養的細胞的糖酵解活性。即當谷氨醯胺受限時，脯氨酸降解可以作為葡萄糖替代營養來源。敲除PRODH1基因，限制了胰腺癌細胞應對營養物質受限的能力，阻礙細胞在裸鼠中的成瘤能力。

作者利用[U-13C] - 脯氨酸來追蹤脯氨酸在PDAC細胞的代謝。

當營養物被剝奪時，觀察到游離的U-13C-脯氨酸從ECM（細胞外基質）積累到PDAC細胞中，證實PK4A細胞能夠從ECM中攝取脯氨酸。在葡萄糖或谷氨醯胺受限的條件下，在PDAC細胞的所有TCA循環中間體中發現脯氨酸標記。DHP的處理降低了細胞的氧消耗。這些數據表明膠原衍生的脯氨酸至少部分通過支持TCA循環代謝和細胞呼吸來促進營養限制下的細胞增殖。

總之，腫瘤細胞主要通過巨胞飲作用攝入並降解ECM蛋白，包括膠原I和IV，膠原衍生的脯氨酸在營養有限的條件下支持TCA循環代謝。本文展現了當營養物質受限時，癌細胞如何利用直接接觸的環境和可用的底物來維持生存。PDAC細胞外基質成為腫瘤細胞的營養儲層，癌症的這種代謝靈活性為癌症的治療提供了新思路。

文章出處：

Collagen-derived proline promotes pancreatic ductal adenocarcinoma cell survival under nutrient limited conditions.

Nat Commun. 2017 Jul 7;8:16031.

DOI: 10.1038/ncomms16031

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