Cell：神经元释放丝氨酸支持胰腺癌mRNA

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生命科学Life science

2020年11月2日，美国纽约大学医学院的研究团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell上发表了一篇新研究，题为"Neurons Release Serine to Support mRNA Translation in Pancreatic Cancer"，研究发现轴突-肿瘤代谢串扰是在营养不良环境中适应性促进PDAC生长的重要方式，这佐证了神经在PDAC发展过程中的促癌作用。

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摘要

胰腺导管腺癌（Pancreatic ductal adenocarcinoma，PDAC）的肿瘤微环境具有营养缺乏、可促结缔组织增生以及由神经高度支配的特点。尽管神经元可以释放刺激因子，加速PDAC肿瘤的发生，但是外周轴突的代谢作用尚有待研究。我们发现外周轴突会释放丝氨酸，从而在丝氨酸/甘氨酸匮乏的条件下，促进外源丝氨酸依赖性PDAC肿瘤细胞的生长。丝氨酸缺乏导致六个丝氨酸密码子中的两个：TCC和TCT，发生核糖体停滞，并使得PDAC肿瘤细胞选择性翻译和分泌神经生长因子，从而促进肿瘤的神经支配。和这一机理相符，我们发现，在食物中不含甘氨酸/丝氨酸的条件下，小鼠的外源丝氨酸依赖性PDAC肿瘤细胞生长减缓，同时表现出较强的神经支配性。使用Trk-NGF抑制剂LOXO-101阻断代偿神经元神经支配，进一步减缓了PDAC的生长。我们的数据表明，轴突-肿瘤代谢串扰是在营养不良环境中适应性促进PDAC生长的重要方式。

神经性疼痛是胰腺导管腺癌（PDAC）患者的一种常见症状，发展到一定程度就需要通过侵入性手术来缓解。临床上大多数PDAC肿瘤表现出周围神经浸润的特点，导致患者预后不良。针对PDAC的遗传分析表明轴突导向调节因子频繁发生突变，提示神经元支持在肿瘤发生中的作用。此外，既往研究表明神经切除或用辣椒素破坏神经纤维可提升PDAC荷瘤小鼠的存活率，这佐证了神经在PDAC发展过程中的促癌作用。相关研究表明，来自背根神经节和交感神经的感觉神经元会加速PDAC肿瘤发生，而胆碱能神经则抑制其生长。但是迄今为止，相关机制集中于神经营养因子或神经递质的释放。

PDAC的另一个典型特征是极强的代谢可塑性，可通过上调清除途径（例如自噬和巨噬细胞）或利用间质成纤维细胞和巨噬细胞释放的代谢产物，来适应营养缺乏的环境。而既往研究表明神经元会释放氨基酸衍生的神经递质，例如甘氨酸和D-丝氨酸。这进一步表明，神经元可能在营养匮乏环境中通过外周轴突满足PDAC细胞的代谢需求。但是，目前尚未有研究探索神经细胞在PDAC肿瘤中的代谢作用。

丝氨酸是一种有条件的必需氨基酸，可以从微环境中获得或通过葡萄糖的丝氨酸生物合成途径（Ser biosynthesis pathway，SBP）生成。丝氨酸也是人类蛋白质中含量第二高的氨基酸，可用于生成甘氨酸，而后者可用于合成蛋白质或谷胱甘肽。它还参与某些脂质的产生和叶酸循环，后者可生成核苷酸和甲基化单元合成所需的一碳单元。由于丝氨酸是多种代谢途径所必需的，因此它可能成为多种癌症生长和存活的限速阀。但是，基因工程KPC模型小鼠的PDAC细胞可以上调SBP酶，并且对丝氨酸限制不敏感。目前尚不清楚人类PDAC细胞是否也可上调SBP或存在其他获得细胞外丝氨酸的机制。

在这项研究中，我们探究了周围轴突在营养缺乏环境中为PDAC细胞提供代谢支持的作用。我们发现了人类PDAC细胞系的一个子集，该子集缺乏SBP酶的表达，其生长有赖于外源丝氨酸。我们证明轴突可释放丝氨酸等氨基酸，这一特性可在丝氨酸/甘氨酸缺乏的条件下支持外源丝氨酸依赖性PDAC细胞的生长。令人惊讶的是，丝氨酸缺乏会特异性地降低部分丝氨酸密码子的mRNA翻译效率，仅涉及六个丝氨酸密码子中的两个：TCC和TCT；丝氨酸缺乏还会导致细胞选择性翻译、分泌神经生长因子。与这些观察结果一致的是，在无丝氨酸/甘氨酸饮食的情况下，小鼠的外源丝氨酸依赖性PDAC肿瘤较小，并且在丝氨酸受到限制时表现出更强的肿瘤神经支配。这些数据证实了PDAC和神经元之间存在代谢轴，可促进肿瘤在营养不良条件下生长。

核心发现

·神经轴突会向丝氨酸匮乏的环境中释放包括丝氨酸在内的氨基酸。作者利用微流体设备培养小鼠背根神经节细胞并将其胞体与轴突隔离开来，模拟体内环境使肿瘤细胞仅与轴突接触，结果发现轴突侧培养基中多种氨基酸水平上升，包括丝氨酸（35%D-丝氨酸和65%L-丝氨酸）和甘氨酸。

·神经轴突在丝氨酸/甘氨酸缺乏环境中支持外源丝氨酸依赖性PDAC细胞生长。小鼠KPC PDAC细胞对丝氨酸/甘氨酸缺乏不敏感，而人类PDAC细胞在外源丝氨酸依赖性方面存在异质性，约40%的人PDAC细胞系在各种营养环境下完全依赖外源丝氨酸进行增值。在丝氨酸/甘氨酸缺乏的培养基中与神经轴突共培养时，外源丝氨酸依赖性PDAC细胞恢复了增长。

·PDAC细胞需要丝氨酸才能有效地进行mRNA翻译，丝氨酸缺乏会选择性地降低mRNA翻译速率。

·丝氨酸缺乏降低了TCC和TCT丝氨酸密码子的mRNA翻译效率。作者构建了几种不稳定的绿色荧光蛋白（GFPd2，半衰期为2小时）报告基因，将其中所有的丝氨酸密码子都替换为六个丝氨酸密码子中的一个。丝氨酸/甘氨酸缺乏降低了GFPd2荧光，而含有TCC和TCT丝氨酸密码子的报告基因荧光下降程度最大。

·丝氨酸/甘氨酸缺乏条件下，PDAC细胞表现出了更强的神经浸润。

·丝氨酸/甘氨酸饮食限制后，通过LOXO-101阻断神经支配可降低小鼠的PDAC肿瘤负担。为验证神经细胞是否在丝氨酸缺乏条件下支持肿瘤生存或生长，作者将小鼠分为对照组和饮食中限制丝氨酸/甘氨酸的控制组，原位注射PDAC细胞后，再通过TRK受体抑制剂LOXO-101降低肿瘤神经支配。LOXO-101本身不影响PDAC增长或小鼠背根神经轴突在体外释放丝氨酸的能力，也不影响血清丝氨酸/甘氨酸水平，但是接受LOXO-101处理后，实验组小鼠肿瘤重量、增值和神经支配均出现下降。