丝氨酸营养缺陷型是急性髓系白血病中由PSAT1抑制驱动的可靶向脆弱性

《Leukemia》：Serine auxotrophy is a targetable vulnerability driven by PSAT1 suppression in AML

　　

摘要专业翻译 丝氨酸代谢在癌症中的生物学意义和治疗价值日益受到关注。丝氨酸合成途径（serine synthesis pathway, SSP）的上调可促进肿瘤生长，且具有该表型的癌症通常对SSP抑制剂敏感。与此同时，膳食限制丝氨酸和甘氨酸（serine and glycine, SG）可抑制部分癌症，但对该策略敏感性的决定因素知之甚少。这一问题在急性髓系白血病（acute myeloid leukemia, AML）中尤为突出，因为丝氨酸代谢在该疾病中研究较少。研究人员报道，部分人源AML细胞系和原代样本完全依赖外源性丝氨酸，即丝氨酸营养缺陷型（serine auxotrophy）。这些白血病细胞持续抑制SSP酶PSAT1，无法合成丝氨酸，在体内对SG限制饮食有应答，且通过恢复PSAT1表达可挽救该表型。研究人员还发现，SG限制与维奈克拉（venetoclax）在丝氨酸营养缺陷型AML中具有协同作用，且MECOM重排与PSAT1抑制和丝氨酸营养缺陷型密切相关。这些发现定义了一种代谢上独特的AML亚型，并将其确定为SG限制饮食治疗的潜在靶点。

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一、研究背景与科学问题

癌症代谢重编程是近二十年肿瘤生物学领域的核心研究方向之一。不同癌症的代谢特征受组织起源、基因突变、治疗耐药等多种因素影响，其中部分代谢改变可形成可靶向的脆弱性。在急性髓系白血病（acute myeloid leukemia, AML）中，IDH1/2突变驱动的代谢重编程已成功转化为靶向治疗策略，但AML代谢图谱的大部分仍属未知，尤其是丝氨酸合成途径（serine synthesis pathway, SSP）在AML中的特征和功能此前缺乏系统研究。

SSP由三个关键酶组成：PHGDH、PSAT1和PSPH。在多种实体瘤中，SSP上调可促进肿瘤增殖，且与特定遗传事件相关，如PHGDH扩增、KRAS/BRAF/NRF2/TP53等基因突变驱动的转录上调。在AML中，FLT3突变与SSP上调有关，敲低或敲除PHGDH可降低FLT3-ITD细胞系的适应性。然而，与SSP上调相反，低水平或缺失的丝氨酸合成在癌症中偶有报道。例如，ER/PR+乳腺癌因PSAT1沉默而缺乏丝氨酸合成能力，形成丝氨酸营养缺陷型；剪接体基因SF3B1突变可通过RNA错误剪接下调PHGDH，降低丝氨酸合成。但在包括AML在内的大多数癌症中，丝氨酸合成下调的程度、后果和机制均不清楚。

在治疗层面，SSP上调的肿瘤对PHGDH抑制剂敏感；反之，膳食剥夺丝氨酸（及甘氨酸，因甘氨酸在体内可转化为丝氨酸）可降低小鼠体内丝氨酸水平，耐受性良好，并能抑制部分实体瘤。一项近期临床试验显示，在实体瘤化疗期间减少膳食SG可降低血清丝氨酸水平且耐受性良好。鉴于这一转化潜力，研究人员系统研究了AML对外源性丝氨酸的依赖性、SSP活性及丝氨酸剥夺的治疗效果。

二、研究内容与主要结论

本研究系统揭示了AML中一个此前未被识别的代谢亚型——丝氨酸营养缺陷型AML。该亚型的核心特征是PSAT1蛋白表达缺失或极低，导致细胞无法从头合成丝氨酸，完全依赖外源性丝氨酸维持存活。这种缺陷与PSAT1启动子高甲基化相关，且MECOM重排（inv3）与PSAT1抑制和丝氨酸营养缺陷型密切相关。在治疗层面，膳食SG限制可显著延长丝氨酸营养缺陷型AML异种移植小鼠的生存期，且与维奈克拉（venetoclax）联用具有协同增效作用。该研究定义了一种代谢上独特的AML亚型，并为其提供了基于饮食干预的潜在治疗策略。

三、主要技术方法

研究人员使用了以下关键技术方法：体外丝氨酸剥夺培养体系评估29株人源AML细胞系和正常骨髓CD34+细胞的生长与存活；基于癌症细胞系百科全书（Cancer Cell Line Encyclopedia, CCLE）的RNA-seq数据比较营养缺陷型与非营养缺陷型细胞系的基因表达谱；¹³C-葡萄糖同位素示踪结合质谱检测丝氨酸从头合成能力；甲基化特异性PCR（methylation-specific PCR, MSP）定量分析PSAT1启动子甲基化水平；慢病毒介导的基因过表达和CRISPR-Cas9基因敲除（knockout, KO）进行功能验证；NSG小鼠异种移植模型评估膳食SG限制的体内抗白血病效果；利用TCGA、BEAT-AML和Leucegene患者队列的RNA-seq数据分析PSAT1表达与遗传学异常的关系；使用Zeng等人构建的BoneMarrowMap单细胞RNA-seq图谱分析正常造血和AML中的分化状态与PSAT1表达的关系。

四、研究结果

AML细胞系中存在依赖外源性丝氨酸的亚群。 在29株人源AML细胞系中，66%（19/29）在无丝氨酸培养基中仅表现为增殖轻度下降，与正常骨髓CD34+细胞类似；而34%（10/29）的细胞系在无丝氨酸条件下出现显著的生长抑制和凋亡性细胞死亡，生长速率比值（–S/+S）仅为0.02。该结果在更接近人体血浆代谢物组成的人血浆样培养基（human plasma-like medium, HPLM）中得到验证，确认了丝氨酸营养缺陷型AML亚群的存在。

丝氨酸营养缺陷型AML细胞系中PSAT1被抑制。 基于CCLE转录组数据的比较分析显示，营养缺陷型细胞系中两个基因显著下调：MGST1和PSAT1。Western blot验证表明，10株营养缺陷型细胞系中有9株PSAT1蛋白不可检测，仅OCIAML20有微量表达；而19株非营养缺陷型细胞系均表达可检测水平的PSAT1。相比之下，SSP第一个酶PHGDH的表达水平与丝氨酸依赖性无显著相关性。

丝氨酸营养缺陷型AML细胞系不能合成丝氨酸。 通过¹³C-葡萄糖同位素示踪，非营养缺陷型细胞系MOLM13和OCIAML3在无丝氨酸条件下可将M+3丝氨酸比例分别提升至17.7%和9.8%，表明具备感应丝氨酸缺乏并上调合成的能力；而营养缺陷型细胞系P31FUJ、UCSDAML1、YCUAML1和MUTZ3在基线及无丝氨酸条件下均检测不到丝氨酸合成。这些细胞虽能感应丝氨酸剥夺并上调应激转录因子ATF4，但无法诱导PSAT1表达。

丝氨酸营养缺陷型与PSAT1启动子甲基化相关。 定量甲基化特异性PCR显示，非营养缺陷型细胞系PSAT1启动子甲基化水平极低或缺失，而10株营养缺陷型细胞系中有9株呈现75-100%的高甲基化水平。OCIAML20的甲基化水平约10%，与其微量PSAT1蛋白表达一致，提示部分基因沉默。

PSAT1决定AML细胞系的丝氨酸营养缺陷表型。 在非营养缺陷型细胞系MOLM13中敲除PSAT1可使其转变为丝氨酸营养缺陷型。在5株营养缺陷型细胞系中回补野生型PSAT1，其中UCSDAML1、P31FUJ和MUTZ3获得完全挽救（–S/+S生长比=0.93），PL21和HNT34获得部分挽救。HNT34携带SF3B1^K700E突变，该突变已知可通过RNA错误剪接下调PHGDH；同时回补野生型PSAT1和PHGDH可实现完全挽救，且¹³C示踪证实双基因回补后丝氨酸合成显著增加，表明该细胞系存在SSP前两步的联合缺陷。回补MGST1不影响营养缺陷表型。

膳食SG限制对营养缺陷型AML细胞系具有治疗作用。 在NSG小鼠异种移植模型中，–SG饮食显著延长了P31FUJ、YCUAML1、PL21和OCIAML20四种营养缺陷型细胞系移植小鼠的生存期，并降低了P31FUJ小鼠的白血病负荷。表达野生型PSAT1的P31FUJ细胞丧失了对–SG饮食的敏感性，而非营养缺陷型MOLM13细胞对–SG无应答，但PSAT1敲除的MOLM13在–SG饮食下生存期显著延长。这些结果证实PSAT1表达是AML对膳食SG限制敏感性的决定因素。

维奈克拉与丝氨酸剥夺具有协同作用。 在体外，–S条件可将P31FUJ和PL21细胞对维奈克拉的凋亡反应额外增加约50%，回补野生型PSAT1可部分挽救细胞活力。在体内，–SG饮食联合维奈克拉的生存期获益显著超过–SG单独使用，而维奈克拉加入+SG饮食无额外获益。

原代AML中的PSAT1表达。 基于TCGA、BEAT-AML和Leucegene三个患者队列的RNA-seq分析，PSAT1下调与MECOM重排、CBFB-MYH11融合以及GATA2、WT1、CEBPA突变相关；PSAT1上调与TP53和U2AF1突变相关。单细胞转录组分析显示，PSAT1表达具有分化状态依赖性，分化状态组成可部分解释基因型相关的PSAT1变异，但并非全部，提示遗传驱动因素可能直接参与调控。

PSAT1沉默的原代AML样本对丝氨酸剥夺敏感。 在9例原代AML样本中，PSAT1表达与无丝氨酸条件下的生长能力总体呈正相关。两例PSAT1不可检测且完全丝氨酸营养缺陷型的样本均携带MECOM重排。将其中一例MECOM重排原代样本（p7314）建立异种移植模型并进行二次移植，–SG饮食显著降低了小鼠外周血中人源Alu序列丰度，证实膳食SG限制在体内可抑制PSAT1沉默的原代AML生长。

五、讨论与结论

本研究将丝氨酸营养缺陷型的概念从ER/PR+乳腺癌扩展至AML，且发现AML营养缺陷型细胞在无丝氨酸条件下发生凋亡性死亡，而非其他癌症中常见的细胞周期阻滞，提示这类AML对外源性丝氨酸的依赖性尤为突出。与既往以PHGDH为核心的SSP研究不同，本研究证明PSAT1抑制是AML丝氨酸营养缺陷型的主要机制，SF3B1突变并非一致的决定因素。PSAT1启动子甲基化是基因沉默的促成因素之一，但原代样本中相关性较弱，提示可能存在其他表观遗传机制。在治疗层面，–SG饮食在四种营养缺陷型细胞系和一例原代AML异种移植模型中均显示出抗白血病活性，且与维奈克拉联用具有协同作用。鉴于近期一项I期临床试验已证实SG限制饮食在实体瘤化疗患者中可安全地将血清SG降低约50%，本研究支持在AML患者中评估SG剥夺饮食策略，并提名PSAT1表达及MECOM重排等遗传学特征作为潜在的生物标志物用于患者筛选。值得注意的是，TP53突变与高PSAT1表达相关，提示该预后不良AML亚型可能不适合SG限制策略；而MECOM重排AML则因PSAT1缺失和完全丝氨酸营养缺陷，应被优先纳入相关临床试验。