【Cell子刊】北京天坛医院张伟团队：糖代谢重编程在胶质母细胞瘤治疗中的关键作用

2024年8月6日， 首都医科大学附属北京天坛医院张伟团队在期刊《Cell Metabolism》上发表了题为“Glycometabolic reprogramming-induced XRCC1 lactylation confers therapeutic resistance in ALDH1A3-overexpressing glioblastoma”的研究论文。本研究全面、系统地检验并确定了富ALDH1A3性GBM中PKM2激活和治疗耐药的机制。放射增敏剂和化学增敏剂D34-919，为ALDH1A3^hiGBM患者提供了一种新的治疗选择。

https://www.cell.com/cell-metabolism/fulltext/S1550-4131(24)00282-1#%20

研究介绍

 01 

异柠檬酸脱氢酶（IDH）野生型（WT）胶质母细胞瘤（GBM）是成人中最常见且具有侵袭性的原发性恶性脑肿瘤，GBM的特点是复发率高、致死率高。GBM对目前的治疗不敏感，即使在大体全切除和积极的术后放化疗后也是如此，因此，GBM患者的预后仍然很暗淡。胶质母细胞瘤干细胞（GSCs）的存在，显著增加了治疗耐药性以及肿瘤复发。最近的研究表明，GSCs产生并吸收大量的碳水化合物和脂质，作为生长的基石和燃料的来源。因此，鉴于其独特的代谢模式，研究的重点已转向开发针对GSC的代谢疗法。

增强的醛脱氢酶（ALDH）活性是维持癌症干性、恶性进展和治疗耐药性的关键因素。之前的研究表明，ALDH1A3的高表达，是GBM重要的独立不良预后因素。随后的研究证实，ALDH1A3作为维持ALDH活性最普遍的亚型，在GBM对基于替莫唑胺（TMZ）的治疗的耐药性中起关键作用。另一项研究表明，ALDH1A3的高表达导致肿瘤细胞中的糖酵解代谢增加，最终导致GBM的放疗耐药性。然而，ALDH1A3过表达上调肿瘤细胞中的糖酵解代谢，并诱导GBM患者对放化疗的耐药性，而其机制尚不清楚。

乳酸化不仅代表了一种在表观遗传基因调控中起关键作用的蛋白质翻译后修饰的新形式，而且还在糖酵解代谢与各种生物过程中的细胞功能调控之间，起着直接联系作用。随后，大量研究揭示了组蛋白乳酸化在转录调控、代谢调控、肿瘤恶性进展和其他生物学过程中的作用。近年来，非组蛋白乳酸化的发现，进一步揭示了其在调节许多酶活性和信号通路中的重要作用。对乳酸化的新兴研究，强调了其在各种生物过程中作为核心细胞功能调节剂和癌症治疗靶点的潜在作用。

在本研究中，团队发现ALDH1A3与丙酮酸激酶M同工酶2（PKM2）相互作用，以增加后者的四聚化，从而诱导GSC中的细胞内乳酸积累。乳酸化诱导的X射线交叉互补蛋白1（XRCC1）表面电荷的电，中和增强了其与输入蛋白α的亲和力，从而导致XRCC1更大的核易位，并最终增强了DNA修复活性，这将使这些细胞对放射治疗产生抵抗力。此外，团队还发现了一种小分子化合物，该化合物可以破坏ALDH1A3和PKM2之间的相互作用，从而增强GSCs在体内和体外的放化疗敏感性，而不会产生明显的副作用。这些发现阐明了ALDH1A3过表达介导糖酵解和放化疗耐药性的机制，并且它们允许鉴定高表达ALDH1A3 GBM患者放化疗的潜在小分子增敏剂 （ALDH1A3^hiGBM）。

研究进展

 02 

D34-919增强放化疗敏感性，抑制小鼠颅内异种移植肿瘤的生长

团队建立了GBM的3组颅内异种移植模型，包括I.组，肿瘤体积、生存率和体重监测；II.组，代谢通量分析；第三组，组织病理学染色。每组根据不同的处理，由8个亚组组成。团队发现，D34-919 + TMZ、D34-919 +放疗或D34-919 + TMZ +放疗的联合治疗，与相应的非联合治疗亚组相比，小鼠的肿瘤生长显著减少，总生存时间延长，三联治疗导致肿瘤完全消除（或至少低于检测限）和100%存活超过70天。D34-919联合治疗抑制了肿瘤生长，而没有伴随体重损失或任何组织和器官损伤。

与载体治疗相比，D34-919治疗与颅内肿瘤中PK酶活性的显著降低程度，和较低的乳酸浓度相关。同样，注射 D- 后1.5 小时13C6-葡萄糖进入小鼠尾静脉，团队发现产生的乳酸（与载体治疗组相比，D34-919治疗组颅内肿瘤中的C标记乳酸）显著降低。此外，D34-919在小鼠体内的处理在4小时后，在颅内肿瘤中显示出峰值积累，24小时时水平恢复到基线。

D34-919联合放化疗，可有效改善GBM，并延长异种移植模型的生存期

D34-919增加体内胶质母细胞瘤类器官和脑肿瘤的放化疗敏感性

GBM类器官是最新、最先进的体外肿瘤模型之一，可用于药物疗效评价。因此，团队使用来自12名病理诊断为GBM的患者的手术切除肿瘤样本（根据WHO中枢神经系统肿瘤分类第五版，WHO CNS5）来构建GBM类器官模型。团队使用这些类器官模型，来确定D34-919是否可以增强这些临床相关模型对放化疗的敏感性。团队用D34-919作为单一疗法，TMZ +放射作为单一疗法，或将这三者一起作为三联疗法，治疗此类类器官3天。使用免疫荧光染色，团队发现D34-919作为单一疗法或与TMZ和辐射联合使用，可显著降低乳酸化XRCC1-K247水平，而TMZ +辐射没有影响。团队还可视化了γ-H2AX水平和裂解的caspase-3水平，发现从单一疗法到双重疗法再到三联疗法，两者的水平都逐渐升高。相比之下，从单一疗法到三联疗法，Ki-67的水平逐渐降低。团队对颅内异种移植模型进行了类似的分析，并发现了类似的结果。

D34-919联合疗法在患者来源的GBM类器官模型中，有效缩小肿瘤负荷

研究结论

 03 

本研究表明，用糖酵解抑制剂2-DG对GSC进行预处理，导致它们对放化疗的敏感性与ALDH1A3表达无关。ALDH1A3的过表达，可能通过糖酵解代谢途径，影响了GSCs的治疗敏感性。随后，团队进行了一项广泛的研究，以了解ALDH1A3促进糖酵解代谢的内在机制。

ALDH1A3在促进多种癌症的糖酵解代谢方面，发挥着重要作用。ALDH1A3在糖酵解代谢中的调控机制，被认为是通过经典和非经典途径介导的。先前的研究表明，间充质GSCs中ALDH1A3和ACSS1的增加，可能有助于糖酵解代谢的激活，可能是通过改变乙酰辅酶A合成。然而，本研究的结果，未能支持上述机制。此外，ALDH1A3表达的上调，更有可能增加乙酰辅酶A的产生，而乙酰辅酶A反过来会抑制，而不是激活糖酵解代谢。因此，需要更多的证据，来支持经典通路的参与。

RNA-seq分析结果显示，ALDH1A3编辑细胞中糖酵解酶的表达，没有显著变化；这进一步否定了非经典通路参与糖酵解代谢调节的可能性。相反，团队发现ALDH1A3与多种蛋白质相互作用，包括PKM2。PKM2是糖酵解中的关键酶。ALDH1A3和PKM2 间的蛋白质相互作用，增强了后者的四聚化。GSCs中糖酵解代谢的增强，可能是由于四聚化PKM的强催化活性。ALDH1A3诱导的PKM2激活，导致乳酸的显著细胞内积累，但其他糖酵解和TCA循环相关代谢物没有显著变化。综上所述，本研究报告了一种促进代谢重编程的新机制和代谢酶非经典功能的调节途径。

研究由于糖代谢重编程导致的治疗耐药机制，仍然是癌症研究中一个日益突出的话题。团队的研究结果首次表明XRCC1-K247乳酸化在GSCs中增加，同时在GSC中细胞内乳酸积累。XRCC1作为连接DNA修复酶的支架蛋白，在内源性和外源性DNA修复中，起着至关重要的作用。具有灭活XRCC1的肿瘤细胞，对DNA损伤更敏感。XRCC1的乳酸化，使其从带负电荷转变为电中性，这增加了其对核转运蛋白输入蛋白α的结合亲和力。XRCC的核输入，最终导致GBM细胞中DNA损伤修复增强。重要的是，在GBM的临床样本中，检测到XRCC1-K247乳酸化。上述结果表明，XRCC1-K247乳酸化，可能是GBM术后放疗和化疗敏感性的准确预测因子，而不仅仅是XRCC1表达。

ALDH1A3诱导的PKM2激活是GBM治疗耐药的基本原因。D34-919的作用，与已知的PKM2抑制剂不同，可能不会影响正常细胞的代谢功能。长期腹腔注射D34-919治疗后，小鼠大脑及重要器官均未见副作用。此外，D34-919在预防颅内肿瘤治疗耐药方面，显示出更强的作用。这些效应可能归因于错综复杂的体内肿瘤微环境或体外和体内培养条件之间的差异。

肿瘤类器官模型以其卓越的肿瘤组织学概括能力、肿瘤的内在特征及其微环境而闻名，在肿瘤研究中具有巨大的潜力。D34-919在GBM类器官模型中的作用，与颅内肿瘤模型相似。然而，XRCC1-K247的乳酸化在辐射组和TMZ处理组中，均呈下降趋势。造成这种结果的原因，可能是放疗和化疗改变了肿瘤细胞的代谢平衡或线粒体稳定性，从而间接改变XRCC1-K247的乳酸化。尽管与D34-919处理相比，这些变化很小，但它们是稳定的，值得进一步探索。同样重要的是，与颅内肿瘤模型相比，D34-919在增强GBM类器官模型放化疗方面的稳定性，相对较差。类器官模型之间的差异被放大，可能是由于GBM类器官模型之间，存在广泛的遗传差异。

参考资料：

1.Louis D.N.Perry A.Wesseling P.Brat D.J.Cree I.A.Figarella-Branger D.Hawkins C.Ng H.K.Pfister S.M.Reifenberger G.et al.

The 2021 WHO classification of tumors of the central nervous system: a summary.

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