丝氨酸/甘氨酸剥夺通过增强线粒体呼吸可塑性促进胰腺癌症干细胞在营养限制环境下的维持与致瘤性

《Cancer & Metabolism》：Adaptive response to serine and glycine deprivation enhances the stemness potential of pancreatic cancer cells

　　

摘要

背景

胰腺导管腺癌（PDAC）在营养匮乏的微环境中发展，其中胰腺癌症干细胞（PaCSCs）即使在氧气和营养物质有限的情况下也能持续存在。这种韧性部分依赖于线粒体代谢灵活性。丝氨酸和甘氨酸是PDAC中的条件必需氨基酸，许多人类PDAC模型依赖于它们的外源性供应。然而，丝氨酸/甘氨酸代谢和丝氨酸合成途径（SSP）是否有助于PaCSC维持以及其剥夺对干细胞特性的影响仍不清楚。

方法

使用来自PDAC患者来源异种移植（PDXs）的原代培养来模拟CSC富集以及对丝氨酸和/或甘氨酸剥夺的适应。通过生物信息学分析、RNA和蛋白质测量、¹³C-葡萄糖示踪和实时代谢测定来评估SSP基因表达、丝氨酸/甘氨酸代谢和线粒体功能。通过体外和体内测定评估功能后果，测量活力、代谢、干细胞特性、侵袭和致瘤性。

结果

生物信息学分析显示，SSP基因PHGDH和PSAT1的表达与人类PDAC中的干细胞相关特征呈负相关，并在CSC富集的PDX培养中降低。然而，CSC富集培养显示出更高的SSP途径活性，这从葡萄糖来源的碳对丝氨酸和甘氨酸合成的相对贡献较高以及对急性丝氨酸或甘氨酸剥夺的抗性增加推断得出。我们接着研究了PDAC细胞如何适应长期有限的胞外丝氨酸和/或甘氨酸可用性。抗性培养获得了增加的线粒体呼吸灵活性，其特征是更高的最大呼吸、储备呼吸能力和对复合物I抑制剂鱼藤酮的抗性，但也显示出降低的线粒体效率，如增加的质子泄漏和降低的线粒体跨膜电位所示。对单一氨基酸剥夺的适应与增加脂肪酸利用的特征一致，而对丝氨酸和甘氨酸联合剥夺的抵抗与更大的葡萄糖依赖性相关。功能上，剥夺抗性培养显示出增加的CSC频率、迁移和侵袭，以及体内致瘤性，尽管这些效应在丝氨酸和甘氨酸联合剥夺后不太明显。

结论

这些发现揭示了丝氨酸/甘氨酸可用性、线粒体可塑性和PaCSC行为之间的功能联系。对丝氨酸和/或甘氨酸剥夺的适应促进了代谢重新布线，增强了PDAC细胞的干细胞潜力，支持了氨基酸代谢灵活性有助于PaCSC在营养限制条件下持续存在的概念。