中科院上海生科院Cell Res发表肿瘤代谢研究成果

　　

生物通报道：来自中科院上海生命科学研究院、深圳疾控中心和复旦大学等处的研究人员证实，线粒体PKM2可通过稳定Bcl2而调节氧化应激诱导的细胞凋亡。这一研究结果发布在12月30日的《Cell Research》杂志上。

这项研究的通讯作者是中科院上海生命科学研究院的杨巍维（Weiwei Yang）研究员。杨巍维研究员2001年毕业于武汉大学，2007年获中科院上海生科院健康科学研究所博士学位，2008至2013年在美国安德森癌症中心（MD Anderson Cancer Center）做博士后研究，2012年成为安德森癌症中心奥德赛学者（Odyssey Fellow）。2013年8月起担任中科院上海生科院生物化学与细胞生物学研究所的研究员、研究组长、博士生导师。研究方向为肿瘤代谢的信号转导研究。相关阅读：Nature子刊：Cdc25A促进肿瘤糖酵解新机制；中科院Nature子刊发布癌症代谢重要发现。

与正常细胞相比，癌细胞的活性氧（ROS）水平增加，部分原因是由于致癌刺激、代谢活性增加和线粒体故障。在持续的氧化应激状态下，癌细胞通过一套机制成功适应了这样的压力，这不仅激活了ROS清除系统，也抑制了细胞凋亡。许多研究表明，这种适应有助于恶性转化、转移和对抗肿瘤药物的耐药性。因此，了解ROS适应机制，对于有效地杀死癌细胞和克服耐药性，是非常重要的。

在哺乳动物中，丙酮酸激酶（PK）可催化糖酵解的最后一步，是由两个不同基因（PKLR和PKM）编码的四种同工酶构成的。PKM mRNA的可变剪接可导致丙酮酸激酶M1（PKM1）和M2（PKM2）的生成。PKM2，而非PKM1，在大多数人类癌症中是上调的。在肺癌细胞中，用PKM1替代PKM2可抑制裸鼠移植瘤中的有氧糖酵解和肿瘤生长。表皮生长因子受体（EGFR）在人脑胶质瘤细胞中的活化，可以一种PKM2表达依赖性的方式，导致葡萄糖摄取和乳酸生产增加。通过胞外信号调节激酶（ERK）依赖性磷酸化介导， PKM2能够在EGFR活化后转运到细胞核。在细胞核中，PKM2可与c-Src磷酸化的β连环蛋白结合，并提高β连环蛋白的转录活性，从而促进下游癌基因cyclin D1的表达和细胞周期的进展。在缺氧条件下，脯氨酸羟基化PKM2与HIF1α相互作用，诱导糖酵解基因的表达，从而提高了癌细胞糖代谢。这些结果表明，PKM2在肿瘤细胞增殖过程中发挥了重要的作用。

索取Bio-Rad各种蛋白质印迹膜的技术资料请填写联系方式

除了对于促进细胞增殖的重要作用之外，PKM2还参与细胞凋亡的调控。据证明，通过小干扰RNA抑制PKM2表达，可特异性地对抗PKM2，导致多个癌细胞的生存能力降低、凋亡增加。PKM2在大鼠和人胶质瘤球体中的沉默，可增强凋亡和分化。在非小细胞肺癌（NSCLC）中，PKM2缺乏可在体外和体内增强电离辐射诱导的细胞凋亡和自噬。除了它的抗凋亡功能之外，据报道PKM2可易位到细胞核并诱导一种caspase依赖性的细胞死亡，以响应TT-232。这些结果表明，PKM2也在细胞生存中发挥着有用的作用。然而，PKM2这种作用的机制仍然是难以捉摸的。

B细胞淋巴瘤2（Bcl2）是Bcl-2家族中的一个抗凋亡成员，在许多人类癌症中得以放大。Bcl2在ROS适应性中的作用，已在各种实验室中得以研究。有研究发现，ROS的产生对于蛋白酶体抑制剂硼替佐米启动的细胞凋亡级联反应，起着至关重要的作用。Bcl2在前列腺癌细胞中的过度表达，可减少硼替佐米诱导的细胞凋亡。

也有研究发现，超氧化物歧化酶（SOD）模拟MnTBAP可降低细胞内ROS，并防止体外活化T细胞的凋亡。他们的研究表明，MnTBAP可增加Bcl2的表达，这通常是由T细胞的活化而降低的。这些结果表明，Bcl2对于不同细胞类型的ROS适应起着重要作用。然而在这种适应过程中Bcl2的调节机制，仍未得以很好的理解。

在这项研究中，研究人员表明，在氧化应激条件下PKM2转位到线粒体。在线粒体中，PKM2结合并磷酸化苏氨酸（T）69上的Bcl2。这种磷酸化可阻止Cul3为基础的E3连接酶与Bcl2结合，以及随后的Bcl2降解。一个伴侣蛋白HSP90α1，是PKM2这一功能所必需的。HSP90α1的ATP酶活性可展开PKM2的一种构象变化，并有利于PKM2和Bcl2之间的相互作用。野生型Bcl2与磷酸化缺陷Bcl2 T69A突变体的置换，可使胶质瘤细胞对氧化应激诱导的细胞凋亡变得敏感，并损伤原位移植模型中的脑肿瘤形成。

值得注意的是，一种肽——是由PKM2的389至405氨基酸残基构成，PKM2通过它与BCL2结合——可扰乱PKM2-Bcl2互动，促进降解和损害脑肿瘤生长。此外，Bcl2 T69的磷酸化的水平，构象改变的PKM2和Bcl2蛋白，在人类胶质母细胞瘤患者标本中是彼此相关的。此外，Bcl2 T69磷酸化水平和构象改变的PKM2，与胶质瘤恶性程度的等级以及肿瘤预后相关联。这些研究结果揭示了一种新的机制，通过这种机制线粒体PKM2磷酸化Bcl2，并直接抑制细胞凋亡，从而突出了PKM2在癌细胞ROS适应性中的至关重要的作用，并提出，HSP90-PKM2-Bcl2轴可作为胶质母细胞瘤治疗干预的一个潜在靶标。

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
Mitochondrial PKM2 regulates oxidative stress-induced apoptosis by stabilizing Bcl2
Abstract：Pyruvate kinase M2 isoform (PKM2) catalyzes the last step of glycolysis and plays an important role in tumor cell proliferation. Recent studies have reported that PKM2 also regulates apoptosis. However, the mechanisms underlying such a role of PKM2 remain elusive. Here we show that PKM2 translocates to mitochondria under oxidative stress. In the mitochondria, PKM2 interacts with and phosphorylates Bcl2 at threonine (T) 69. This phosphorylation prevents the binding of Cul3-based E3 ligase to Bcl2 and subsequent degradation of Bcl2. A chaperone protein, HSP90α1, is required for this function of PKM2. HSP90α1's ATPase activity launches a conformational change of PKM2 and facilitates interaction between PKM2 and Bcl2. Replacement of wild-type Bcl2 with phosphorylation-deficient Bcl2 T69A mutant sensitizes glioma cells to oxidative stress-induced apoptosis and impairs brain tumor formation in an orthotopic xenograft model. Notably, a peptide that is composed of the amino acid residues from 389 to 405 of PKM2, through which PKM2 binds to Bcl2, disrupts PKM2-Bcl2 interaction, promotes Bcl2 degradation and impairs brain tumor growth. In addition, levels of Bcl2 T69 phosphorylation, conformation-altered PKM2 and Bcl2 protein correlate with one another in specimens of human glioblastoma patients. Moreover, levels of Bcl2 T69 phosphorylation and conformation-altered PKM2 correlate with both grades and prognosis of glioma malignancy. Our findings uncover a novel mechanism through which mitochondrial PKM2 phosphorylates Bcl2 and inhibits apoptosis directly, highlight the essential role of PKM2 in ROS adaptation of cancer cells, and implicate HSP90-PKM2-Bcl2 axis as a potential target for therapeutic intervention in glioblastoma.