代谢通道化揭示癌细胞中线粒体生成天冬氨酸驱动嘧啶和嘌呤从头合成的机制研究

本研究针对癌细胞如何在核苷酸匮乏条件下高效上调从头合成途径这一关键问题，通过稳定同位素标记技术（13C6葡萄糖、15N2谷氨酰胺）揭示了线粒体近端嘧啶体（pyrimidinosome）和嘌呤体（purinosome）代谢区室化的分子机制。研究发现线粒体GOT2依赖生成的天冬氨酸（Asp）优先用于通道化核苷酸合成而非胞质池，证明代谢通道化与线粒体区室化代谢事件的协同作用是癌细胞高效合成核苷酸的关键。该发现为靶向代谢复合物抗癌治疗提供了新思路。

　　

癌细胞在营养胁迫条件下仍能维持核苷酸库稳定的能力一直是癌症代谢领域的未解之谜。尽管血清来源的嘧啶和嘌呤受限，癌细胞却可通过上调从头合成途径满足增殖需求。这一过程面临巨大挑战：核苷酸合成是能量密集型途径，涉及不稳定中间体，且底物（如PRPP、谷氨酰胺、甘氨酸、叶酸）被多种酶共享，对通量调控提出极高要求。近年来，嘧啶体（pyrimidinosome）和嘌呤体（purinosome）这两种动态酶复合物的发现，为理解该过程提供了新视角。

发表在《Nature Communications》的这项研究，通过创新性地运用稳定同位素标记技术，揭示了代谢通道化（metabolic channeling）与线粒体代谢区室化的协同机制，证明了癌细胞通过线粒体生成的天冬氨酸优先驱动核苷酸从头合成。

研究人员主要采用以下关键技术方法：1）稳定同位素标记追踪（¹⁵N₂谷氨酰胺和¹³C₆葡萄糖）结合质谱分析；2）线粒体电子传递链抑制剂（抗霉素A）处理；3）siRNA介导的基因敲低（GOT2/GOT1/PC）；4）Western blot验证蛋白表达。实验使用HeLa细胞系，在嘌呤/嘧啶匮乏培养基中进行培养。

In cell ¹⁵N₂ glutamine incorporation assay reveals deviation from diffusive pyrimidine synthesis

通过¹⁵N₂谷氨酰胺标记实验发现，嘧啶合成中间体与尿苷核苷酸呈现¹⁵N标记天冬氨酸的异常富集，表明其合成源与胞质天冬氨酸池不同。与完全扩散模型预测的均一标记模式相反，数据支持通道化合成机制的存在。

Metabolic channeling mechanism generates uridine nucleotide

¹³C₆葡萄糖标记实验显示，嘧啶中间体的同位素分布与胞质天冬氨酸一致，但尿苷三磷酸（UTP）的观测值与扩散模型预测值显著偏离。数学模型计算证实，UTP的（M+8）同位素体富集程度更高，表明其合成优先利用线粒体来源的（M+4）天冬氨酸。

Preferential utilization of mitochondrially generated aspartic acid for channeled pyrimidine synthesis

抗霉素A抑制TCA循环后，（M+4）天冬氨酸和（M+8）UTP完全消失。丙酮酸羧化酶（PC）敲低显著降低（M+8）UTP丰度。GOT2敲低导致UMP合成受阻而中间体积累，证明线粒体天冬氨酸是通道化合成的关键底物。GOT1敲低则通过影响还原平衡抑制DHODH活性，导致中间体堆积，但不影响UTP同位素分布。

Channeled de novo purine synthesis preferentially utilizes mitochondrially generated aspartic acid

嘌呤合成研究显示，SAICAR的¹⁵N天冬氨酸标记率为23%，但ATP的观测标记率比预测值高20%。GOT2敲低显著增加IMP/AMP和IMP/GMP比值，再次证明线粒体天冬氨酸对通道化嘌呤合成的特异性支持。

研究结论表明，癌细胞通过形成线粒体近端的嘧啶体和嘌呤体代谢复合物，实现核苷酸合成的高效通道化。该机制具有双重优势：一是利用线粒体区室化产生的天冬氨酸避免胞质竞争；二是通过限制中间体扩散提升通路效率。讨论部分强调，这一发现不仅解释了癌细胞在代谢压力下的适应策略，还为靶向代谢复合物（如GOT2、DHODH）的抗癌治疗提供了新靶点。代谢通道化与细胞区室化的协同作用，可能是癌症代谢重编程的核心特征。

该研究通过多维度实验验证，首次明确了线粒体天冬氨酸在核苷酸合成中的核心地位，突破了传统代谢流量分析的局限性，为理解细胞代谢区室化提供了范式转变。