靶向GSTZ1通过克服谷胱甘肽与糖酵解通路重编程而增敏KRASG12C突变型肺癌细胞

《Cancer Research Communications》：Targeting GSTZ1 Sensitizes KRASG12C-Mutant Lung Cancer Cells by Overcoming Glutathione and Glycolysis Pathway Rewiring Open Access

　　

KRAS突变在肺癌中高度常见，但KRAS^G12C抑制剂的疗效有限，部分原因在于肿瘤细胞发生代谢适应，例如谷胱甘肽（glutathione，GSH）代谢增强和糖酵解增加。谷胱甘肽S-转移酶ζ1（glutathione S-transferase zeta 1，GSTZ1）是一种调控细胞代谢的代谢酶；然而，其在KRAS驱动型肺癌中的作用仍缺乏充分研究。研究人员近期报道，靶向GSTZ1可显著增强美国食品药品监督管理局（FDA）批准的KRAS^G12C抑制剂在非小细胞肺癌（non–small cell lung cancer，NSCLC）细胞中的疗效。当前非靶向代谢组学（untargeted metabolomics）进一步揭示，GSTZ1消融后GSH代谢与糖酵解通路发生显著改变，其特征为乳酸水平降低以及氧化型GSH升高。此外，采用药理学方式抑制GSH合成和葡萄糖摄取，可模拟靶向GSTZ1所产生的增敏效应。这些代谢转变同时伴随AMP活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）磷酸化增加以及蛋白激酶B（protein kinase B，AKT）磷酸化降低，而二者均是KRAS^G12C抑制反应中的关键介导因子。上述数据揭示了与GSTZ1相关的代谢及信号转导改变在药物耐受中的作用，并确定GSTZ1为一个潜在的协同靶点，可用于提高KRAS突变型NSCLC对KRAS定向治疗的敏感性。意义：靶向GSTZ1通过破坏糖酵解、GSH代谢及蛋白磷酸化，增强了KRAS^G12C突变型NSCLC细胞对KRAS^G12C抑制剂的敏感性。GSTZ1由此成为药物耐受的介导因子和潜在治疗靶点，为利用代谢脆弱性设计合理的联合治疗策略、提高KRAS靶向治疗疗效并改善临床结局提供了依据。

该研究发表于《Cancer Research Communications》，聚焦KRAS^G12C突变型非小细胞肺癌（NSCLC）的靶向治疗耐药问题。当前，sotorasib和adagrasib等KRAS^G12C抑制剂已进入临床应用，但仅有部分患者获得持续获益，原发性耐药与治疗中继发耐受严重限制了疗效。既往研究已提示，除RAS信号再布线外，肿瘤细胞还可通过代谢重编程维持存活，尤其是通过增强谷胱甘肽（GSH）抗氧化系统和糖酵解通量来缓冲治疗压力、维持氧化还原稳态并保障能量供应。GSTZ1作为谷胱甘肽S-转移酶（GST）家族成员，同时兼具马来乙酰乙酸异构酶活性，参与酪氨酸和苯丙氨酸分解代谢终末步骤，并可能影响GSH可利用性、氧化应激信号与代谢流。基于研究团队此前发现GSTZ1是KRAS^G12C背景NSCLC中的可药靶脆弱点，本研究进一步探讨GSTZ1是否通过调控代谢与应激信号影响KRAS靶向治疗反应。

目前该领域存在的关键问题在于：KRAS^G12C抑制剂单药疗效受限，而肿瘤细胞在药物压力下可迅速形成代谢可塑性，通过提高GSH代谢与糖酵解抵消药物诱导的氧化损伤和能量危机；与此同时，AMP活化蛋白激酶（AMPK，细胞能量应激感受器）与AKT/mTOR等生存信号之间的联动，也可能决定细胞对KRAS抑制的敏感性。因此，阐明GSTZ1在这一过程中所处的代谢—信号枢纽地位，具有明确的机制研究价值和治疗转化意义。

研究人员围绕GSTZ1开展了系统研究，发现GSTZ1在多种KRAS^G12C突变NSCLC细胞中高表达，并促进对KRAS^G12C抑制剂的耐受。无论采用siRNA沉默还是CRISPR-Cas9敲除GSTZ1，均可增强细胞对sotorasib和adagrasib的敏感性；相反，过表达GSTZ1会削弱药物反应。机制上，GSTZ1缺失导致糖酵解受抑、GSH稳态破坏、活性氧（reactive oxygen species，ROS）升高，并伴随AMPK磷酸化增强、AKT和mTOR磷酸化下降。进一步通过药理学抑制GSH合成或葡萄糖摄取，以及直接激活AMPK，均可模拟GSTZ1靶向后的增敏效应。研究最终表明，GSTZ1是连接代谢适应与生存信号的关键节点，联合靶向GSTZ1与KRAS通路有望提升KRAS突变NSCLC的治疗效果。

研究所采用的主要技术方法包括：在多种NSCLC细胞系及非肿瘤肺细胞中进行免疫印迹（immunoblotting）、细胞活力检测、克隆形成实验、2D/3D培养药敏评估；采用siRNA干扰和CRISPR-Cas9敲除GSTZ1，并进行GSTZ1过表达验证功能；以H1792细胞为核心模型开展超高效液相色谱-高分辨质谱（UHPLC-HRMS）非靶向代谢组学分析；检测细胞内GSH、乳酸和ROS水平；联合BSO、glutor、AICAR、metformin与KRAS抑制剂进行药理学验证；并结合DepMap、Enrichr及GSE31210队列进行生物信息学和生存相关性分析。

在结果部分，研究首先在“GSTZ1 is upregulated in KRAS^G12C-mutant NSCLC and promotes resistance to KRAS^G12C inhibitors”中指出，GSTZ1蛋白在KRAS^G12C突变NSCLC细胞系中高于非肿瘤肺细胞。通过siRNA沉默GSTZ1后，H1792细胞对sotorasib和adagrasib的敏感性明显增强，而对MRC-5成纤维细胞影响较小；这一现象也在LU99、Calu-1、H2122、HOP62、HCC1171和H358中得到不同程度重复。GSTZ1过表达则削弱sotorasib在克隆形成实验中的抑制作用。进一步在2D和3D培养体系中，CRISPR介导的GSTZ1敲除均增强KRAS抑制剂的抗增殖效应。生物信息学结果还显示，GSTZ1表达与sotorasib活性及肺癌患者总生存（OS）、疾病进展后生存（PPS）和首次进展（FP）相关。上述结果说明GSTZ1不仅在KRAS^G12C相关NSCLC中上调，而且是影响KRAS抑制剂反应的重要调控因子。

在“GSTZ1 knockdown reprograms cell metabolism by disrupting redox homeostasis and glycolysis”部分，研究人员利用H1792细胞开展非靶向代谢组学，比较siGSTZ1、sotorasib及联合处理后的代谢变化。结果显示，GSTZ1沉默后糖酵解和GSH代谢显著重塑，表现为乳酸下降、谷氨酰胺升高、氧化型谷胱甘肽（GSSG）升高以及GSSG/GSH比值增加，提示氧化还原失衡和糖酵解通量受损。通路富集分析显示Warburg效应和GSH代谢显著富集。此外，还观察到嘌呤、嘧啶、脂肪酸等多条代谢途径改变，并发现二十碳五烯酸（EPA）和二十二碳六烯酸（DHA）升高。结合DepMap表达数据分析，增敏较明显的细胞更富集于GSH相关通路及GSH、丙酮酸代谢相关基因，支持GSTZ1靶向通过扰乱GSH代谢和糖酵解实现增敏。

在“GSTZ1 maintains GSH homeostasis and restrains ROS accumulation”部分，作者进一步验证了GSTZ1对氧化还原稳态的作用。GSTZ1沉默在H1792、LU99和H358中显著降低细胞内GSH水平，作用趋势类似GSH合成抑制剂BSO；在H1792、HOP62和H358中，GSTZ1沉默还降低乳酸水平，进一步印证糖酵解受抑。ROS检测表明，GSTZ1沉默后ROS显著升高，而N-乙酰半胱氨酸（NAC）可减弱这一效应。更重要的是，在H1792和LU99中，抗氧化剂Trolox可部分挽救GSTZ1沉默联合sotorasib导致的细胞活力下降。这些结果表明，GSTZ1通过维持GSH池和限制ROS蓄积来保护肿瘤细胞，从而减轻氧化损伤介导的细胞毒性。

在“Targeting GSH and glycolytic pathways enhances KRAS^G12C inhibitor efficacy”部分，研究人员采用药理学策略验证机制关联性。将KRAS^G12C抑制剂与BSO联合后，在H1792、H358、HOP62、LU99和H2122中均可增强细胞毒作用；将抑制葡萄糖转运、从上游抑制糖酵解的glutor与KRAS^G12C抑制剂联用，也能明显增强H1792、H358和HOP62的药物敏感性，但在LU99和H2122中的增敏幅度较弱。结果说明，GSH合成和糖酵解确为调控KRAS抑制剂疗效的重要代谢支点，不过不同细胞系存在一定异质性。

在“GSTZ1 targeting modulates AMPK–AKT signaling”部分，文章将代谢变化与信号转导联系起来。GSTZ1沉默显著降低ERK和AKT磷酸化，并增加AMPK Thr172位点磷酸化，同时降低mTOR Ser2448位点磷酸化。值得注意的是，单独sotorasib处理并未在H1792中引起明显AKT磷酸化下降，提示GSTZ1对AKT的调控并不完全依赖KRAS。BSO和glutor同样可诱导AMPK磷酸化升高，重复了GSTZ1靶向所触发的代谢应激表型。LU99和HOP62中的结果与H1792一致，进一步支持GSTZ1缺失可通过抑制AKT/ERK生存信号并激活AMPK应激通路来增强药物反应。

在“Pharmacologic modulation of the metabolic stress sensor AMPK sensitizes KRAS^G12C-mutant NSCLC cells”部分，作者进一步测试AMPK是否为关键功能节点。采用AICAR和metformin两种AMPK激活剂后，H1792和LU99细胞对sotorasib及adagrasib的反应均显著增强。该结果表明，单纯激活AMPK即可模拟GSTZ1沉默带来的增敏效应，从功能层面支持AMPK是GSTZ1介导KRAS靶向反应的重要下游环节。

讨论部分指出，该研究揭示了GSTZ1在KRAS突变NSCLC中的新型治疗学意义：GSTZ1不仅参与代谢适应，还影响药物疗效和细胞存活。GSTZ1缺失会导致糖酵解通量下降、GSH代谢受损、GSSG和谷氨酰胺升高，从而造成能量与氧化双重应激；同时抑制AKT、ERK和mTOR等促生存信号，激活AMPK这一抑癌性应激通路。研究还提出，GSTZ1可能同时影响脂肪酸代谢，但这一点在本文中主要基于代谢物水平变化进行提示。作者认为，联合调控代谢脆弱性与KRAS致癌通路，是改善KRAS突变NSCLC初始药物反应的合理策略。文章同时指出局限性：本研究主要基于体外2D/3D模型，尚需动物模型和临床样本验证；ROS具体来源及GSTZ1独立于KRAS调控AMPK、ERK、AKT的精确机制仍待阐明；此外，选择性GSTZ1药物抑制剂仍有待开发。

研究结论部分可译为：总之，GSH代谢和糖酵解在维持KRAS突变驱动的肿瘤发生中发挥重要作用，而本研究结果确立了GSTZ1是调控GSH水平和糖酵解活性、并与KRAS功能协同作用的关键代谢与信号枢纽。该发现将GSTZ1定位为KRAS突变NSCLC细胞存活及治疗反应中的新型靶点。靶向GSTZ1不仅破坏糖酵解和氧化还原稳态，还抑制AKT和mTOR等生存信号通路，同时激活具有肿瘤抑制作用的AMPK信号。鉴于GST同工酶家族在细胞代谢与信号调控方面存在类似特征，进一步探索其他GST成员是否参与GSTZ1靶向和或KRAS靶向抑制剂的反应调节，以及多重靶向GST与KRAS突变是否能带来更优治疗效果，具有重要研究价值。这些发现为设计利用代谢脆弱性以增强KRAS靶向治疗疗效的合理联合策略奠定了基础。