UGDH S316磷酸化通过调控糖胺聚糖生物合成增强前列腺癌细胞运动性、球体生长及治疗抵抗

《Matrix Biology》：Phosphorylation of UDP-glucose dehydrogenase increases glycosaminoglycan biosynthesis and promotes tumor cell motility, spheroid growth, and therapeutic resistance

本研究针对前列腺癌治疗中出现的去势抵抗性复发问题，揭示了UDP-葡萄糖脱氢酶(UGDH)在丝氨酸316位点的磷酸化修饰通过调控UDP-葡萄糖醛酸(UDP-GlcA)代谢流向，促进糖胺聚糖生物合成而抑制雄激素葡萄糖醛酸化，从而增强肿瘤细胞运动性、球体生长和恩杂鲁胺耐药性的新机制。该发现为前列腺癌治疗提供了新的潜在靶点。

　　

前列腺癌是导致男性癌症死亡的主要原因之一，其中去势抵抗性前列腺癌(CRPC)的治疗尤为棘手。当前列腺癌患者接受雄激素剥夺治疗后，肿瘤细胞往往通过多种机制适应低雄激素环境，包括雄激素生物合成酶的不适当表达、雄激素受体(AR)的过表达或突变以及AR剪接变体的出现。这些变化导致肿瘤对恩杂鲁胺等抗雄激素药物产生抵抗。近年来研究发现，UDP-葡萄糖脱氢酶(UGDH)在CRPC中表达升高，该酶催化UDP-葡萄糖(UDP-Glc)氧化为UDP-葡萄糖醛酸(UDP-GlcA)，是连接糖胺聚糖(GAG)合成和雄激素葡萄糖醛酸化两条代谢途径的关键节点。

UGDH作为一种六聚体酶，由三个二聚体单元组成，其二聚体界面处的动态重组对其酶活性至关重要。研究人员发现UGDH二聚体界面处存在一个保守的AGC激酶磷酸化共识序列(RxRxxS/T)，其中的丝氨酸316位点(S316)可能成为调控UGDH功能的关键位点。为了探索这一假设，研究团队开展了一系列实验，最终发现UGDH S316磷酸化能够显著改变UDP-GlcA的代谢流向，促进肿瘤恶性进展。

本研究主要采用了以下关键技术方法：体外激酶筛选实验鉴定UGDH S316的磷酸化激酶；点突变构建 phosphomimetic (S316D)和phosphodeficient (S316A) UGDH突变体；液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)分析UDP-糖水平；点击化学检测糖基化水平；Western blot分析蛋白表达；细胞增殖、运动性和球体形成实验评估表型变化；使用来自北美人群的LNCaP前列腺癌细胞系进行功能验证。

研究结果

UGDH二聚体界面含有AGC激酶家族磷酸化的功能性共识序列

研究人员通过序列比对发现UGDH在多个物种中均存在保守的AGC激酶磷酸化共识序列，位于人UGDH的311-316残基区域。体外激酶筛选实验表明，RSK2、p70S6K(S6K1)和SGK1能够特异性磷酸化UGDH的S316位点。细胞实验进一步验证了EGF和DHT刺激能够通过激活这些激酶促进UGDH S316磷酸化，而特异性激酶抑制剂能够有效抑制这一过程。

磷酸模拟UGDH S316D突变体外酶学特性未显著改变

研究人员构建了UGDH S316A和S316D点突变体，发现这些突变对酶的内在稳定性、四级结构和催化活性影响较小。S316D突变体的V_max值约为野生型的二分之一，但与T325D二聚体突变体相比仍保持较高活性。这表明S316磷酸化可能主要通过细胞内的上下文依赖性方式调控UGDH功能。

稳定表达UGDH S316D磷酸模拟突变体的LNCaP前列腺肿瘤细胞增加UGDH活性并改变UDP-糖水平

在LNCaP细胞中稳定表达UGDH S316D能够使UGDH活性增加6-8倍，同时显著提高UDP-Glc、UDP-GlcA和UDP-木糖(UDP-Xyl)水平。相比之下，S316A突变体的表达对这些指标影响不大，说明S316磷酸化对UGDH的细胞功能具有重要调控作用。

UGDH S316D表达增加细胞糖基化能力并促进UDP-GlcA用于聚糖生产

UGDH S316D表达显著提高了O-聚糖和N-聚糖的合成速率，分别增加了6倍和10倍。同时，硫酸化糖胺聚糖(sGAG)和透明质酸(HA)的产生也显著增加。值得注意的是，UGDH S316D表达降低了UGT2B17(负责雄激素葡萄糖醛酸化的酶)的表达水平，而UXS1(UDP-木糖合酶1)和Notch1的表达则显著上调。

UGDH S316D表达显著增加肿瘤细胞增殖并促进肿瘤球体生长和细胞运动性

UGDH S316D表达使细胞增殖率提高30%，并显著增强锚定非依赖性生长和细胞运动能力。这些细胞对恩杂鲁胺治疗表现出明显抵抗，而联合激酶抑制剂处理能够有效抑制其生长。伤口愈合实验显示，UGDH S316D表达细胞的迁移能力显著增强。

讨论与结论

本研究首次揭示了UGDH S316磷酸化在前列腺癌进展中的关键作用。三种不同的AGC激酶(RSK2、S6K1和SGK1)能够在细胞外信号刺激下磷酸化UGDH S316，从而改变UDP-GlcA的代谢流向。磷酸化的UGDH更倾向于将UDP-GlcA导向糖胺聚糖生物合成途径，而不是雄激素葡萄糖醛酸化途径。

这种代谢重编程导致多种促肿瘤效应：一方面，增加的糖胺聚糖和透明质酸合成促进了肿瘤细胞的增殖、运动性和锚定非依赖性生长；另一方面，减少的雄激素葡萄糖醛酸化导致细胞内雄激素水平升高，增强了肿瘤细胞对雄激素剥夺治疗的抵抗。

值得注意的是，UGDH S316磷酸化对酶本身的内在特性影响较小，其主要通过改变酶在细胞内的调控方式发挥作用。这种相对温和的调节机制可能使细胞能够快速响应微环境变化，灵活调整代谢流向。

该研究的发现具有重要的临床意义。首先，UGDH S316磷酸化状态可能作为CRPC的生物标志物，用于预测患者对治疗的反应。其次，针对UGDH磷酸化的调控可能成为新的治疗策略，特别是与现有抗雄激素药物联合使用，可能克服治疗抵抗问题。最后，本研究揭示的代谢调控机制可能也适用于其他类型的癌症，为肿瘤代谢研究提供了新思路。

本研究由Melanie A. Simpson团队完成，发表在《Matrix Biology》期刊上，为理解前列腺癌去势抵抗机制提供了新的视角，并为开发新的治疗策略奠定了理论基础。未来的研究可以进一步探索UGDH磷酸化在其他癌症类型中的作用，以及开发针对这一过程的特异性抑制剂。