编译：侯文婷 ；审校：张军，缪长虹
生长因子是具有刺激细胞生长活性的细胞因子，通过与特异的、高亲和的细胞膜受体结合，调节细胞生长、产生其他细胞功能等多效应的多肽类物质。其信号增强让肿瘤细胞在极具挑战性的复杂微环境中成功生存和增殖，是肿瘤的标志之一。2019年《Cell Metbolisom》杂志上发表了一篇题为《Oncogene Amplification in Growth Factor Signaling Pathways Renders Cancers Dependent on Membrane Lipid Remodeling》的文章，将LPCAT1（一种关键的膜脂质重塑酶）确定为遗传驱动的生长因子受体表达、信号传导和肿瘤生长之间的重要纽带，强调了脂质重塑是肿瘤的治疗靶标。现简介如下：介绍持续的生存信号是肿瘤的标志之一，编码生长因子信号系统关键组分的基因扩增和或功能获得突变，是多种肿瘤最常见的遗传改变，提供了用于抗肿瘤药物开发的靶向驱动癌基因来源。扩增和突变的生长因子受体和相关的突变信号蛋白主要存在于质膜内，并使肿瘤细胞不依赖于外部生长控制信号。肿瘤细胞质膜的信号传导活性受其生物物理特性的影响，包括曲率，电荷，流动性和局部结构。这些生物物理特性取决于脂质双层的特定成分，包括磷脂，鞘氨醇和胆固醇。普遍认为膜中磷脂的组成可以通过控制膜结构影响细胞内信号传导，但是在肿瘤细胞中的分子机制尚不清楚。 生长因子信号传导可以改变质膜的性质，后者也可以改变生长因子受体的功能，因而产生驱动持续增强信号传导的前馈机制。然而，目前对于介导脂质变化的特定酶以及其致癌性仍知之甚少。 本研究中，作者揭示脂质代谢酶LPCAT1是持续增殖信号传导所必需的，并证明其与患者预后不良有关。并进一步表明LPCAT1控制膜磷脂饱和度是体内肿瘤生长所必需，意味着一个潜在的抗肿瘤靶点。结果一、EGFRvIII信号通过LPCAT1改变肿瘤细胞的磷脂组成编码EGFR的基因是多种类型肿瘤中最常见的扩增和突变的驱动癌基因之一，质膜磷脂的组成对调节EGFR活性十分重要。EGFR vIII是EGFR的活性突变体，是胶质母细胞瘤(GBM)中常见的致癌驱动因素，研究者采用质谱分析的脂质组学方法研究了EGFRvIII对磷脂组成的影响。将EGFRvIII转导到U87 GBM细胞中显着降低溶血磷脂酰胆碱（LPC）的种类、增加饱和磷脂酰胆碱（PC）的水平（图1A，1B），降低细胞内游离脂肪酸（FFA）的水平。这种饱和PC的增加，以及LPC和FFA的减少，可能与EGFR vIII 通过Lands循环改变磷脂组成有关。Lands循环的再酰基化阶段 PC重塑是由LPCAT（溶血磷脂酰胆碱乙酰转移酶）家族催化的（LPCAT1-LPCAT4），这些过程，可以从现有的脂肪酸池中生成多种膜磷脂，这些膜磷脂在许多生化特性(包括饱和度)上可能有所不同。作者检测到PC 32：0（PC16：0/16：0, 1,2-二棕榈酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱，DPPC）的含量升高超过2倍（图1A）。LPCAT1的上调已在多种肿瘤中被报道，与磷脂变化与肿瘤细胞增殖和侵袭相关。来自TCGA数据库的273份GBM样品，经分析显示LPCAT1 mRNA相对于其他三种LPCAT显著升高。作者使用shRNA检测了LPCAT1对磷脂谱的影响，发现LPCAT1消耗显着降低饱和PC，包括PC28：0，PC30：0和PC32：0，并深刻改变脂质-脂质网络的饱和PC的组分（图1C-1F）。饱和PC的百分比减少与单不饱和及多不饱和PC的百分比增加相关，并且LPC和FFA均增加（图1G）。以上结果表明EGFRvIII通过LPCAT1促进PC饱和。图1. EGFRvIII通过LPCAT1促进PC饱和二、LPCAT1是EGFR信号转导所必需与EGFR vIII 诱导的脂质变化一致，GBM细胞中的LPCAT1蛋白和mRNA水平通过EGFR信号被高度上调。免疫组化分析显示，GBM肿瘤样本中LPCAT1蛋白水平显著升高（p <0.01），其表达与磷酸化EGFR（p <0.005）和EGFR依赖的的下游信号传导（p <0.02）高度相关。此外，在3种GBM细胞系中shRNA使 LPCAT1的基因消耗，EGFR磷酸化和下游信号转导出现抑制，添加DPPC（PC16：0/16：0）脂质和饱和C16：0和C14：0脂肪酸可逆转。这些结果表明，LPCAT1通过其对产生饱和PC来影响EGFR信号的传递。饱和脂质被认为有助于在质膜内形成含有活性信号复合物的有序结构域。作者接下来检测了LPCAT1对细胞膜结构的影响，LPCAT1 RNA敲低的GBM细胞中分离出巨大质膜囊泡(GPMVs)，对GPMVs进行Laurdan染色，测定EGFRvIII-和LPCAT1对细胞膜的影响。EGFRvIII显著提高了细胞膜的秩序，可被LPCAT1基因敲除完全消除。加入DPPC脂质体可以逆转LPCAT1基因敲除后质膜秩序（图2M，2N）。以上结果表明，在LPCAT1的催化下，EGFRvIII依赖于磷脂成分的变化来调节细胞膜的秩序。EGFR的质膜定位对受体活性和信号转导至关重要。因此，作者检测了患者来源的GBM细胞分离物中EGFR定位。免疫荧光染色标记的EGFR在LPCAT1基因缺失时由质膜转移到细胞腔中（图2O-2Q），并通过给细胞添加DPPC恢复细胞膜表面（图2O-2Q）。EGFR在富含饱和磷脂的脂筏中定位。作者对GBM细胞进行去垢分离，结果显示EGFRvIII从脂筏部分向非脂筏部分显著转移，提示LPCAT1介导的脂质饱和在维持EGFRvIII在肿瘤细胞中的脂筏关联中发挥作用。这些结果为肿瘤中饱和PC成分、质膜结构和EGFR定位和信号转导的LPCAT1依赖性生化变化提供了一种机制上的联系。图2. LPCAT1是EGFR信号转导所必需三、LPCAT1-饱和PC轴是GBP细胞存活和生长所需接下来，作者检测了LPCAT1基因敲除对GBM细胞相对活力和集落形成的影响。LPCAT1敲低极大地降低了三种肿瘤细胞活力，消除了培养基中细胞的集落形成，但可被抗LPCAT1 RNA的敲除逆转。为证实LPCAT1对GBM生长和集落形成的依赖减少是由饱和PCs的丢失介导的，研究者测定了LPCAT1敲除后，添加饱和PCs（DPPC）、单不饱和PCs（POPC）、或多不饱和PCs（PAPC）恢复肿瘤细胞活力的能力。DPPC可有效地拯救细胞活力和集落形成，而POPC，PAPC不足以挽救。正如作者的假设，LPC16：0也无法挽救LPCAT1缺陷型GBM细胞的活力。总之，以上结果表明LPCAT1通过增加饱和PC水平来维持EGFR信号传导来促进GBM生长。四、抑制LPCAT1基因可抑制肿瘤生长，延长内源性GBMs小鼠生存期为了确定LPCAT1是否需要维持体内EGFR依赖的GBM生长。患者来源的GBM39细胞被设计成携带近红外荧光蛋白720（IRFP720）和LPCAT1 RNA敲除，注射到小鼠颅内。对小鼠大脑进行非侵入性肿瘤监测（图3A），注射后第8周小鼠的FMT肿瘤图像显示LPCAT1基因的敲低抑制GBM肿瘤生长。说明LPCAT1耗尽引起肿瘤生长的显著抑制（p <0.001）（图3B和3C）。LPCAT1的诱导基因敲低导致LPCAT1蛋白水平的显着降低，这与EGFR磷酸化、NDRG1磷酸化和Ki67染色的显着抑制以及肿瘤细胞死亡的显著增加相关（p <0.01）。此外，LPCAT1基因敲除显著增强了小鼠存活时间（p = 0.0013）（图3F）。这些结果表明LPCAT1是临床相关的源自患者的原位GBM模型中GBM生长所必需。图3. 抑制LPCAT1基因可抑制肿瘤生长LPCAT1的扩增与多种肿瘤类型患者的较短生存期有关，作者推断LPCAT1可能在多种肿瘤类型中具有重要意义。公共临床样本和肿瘤细胞系百科全书（CCLE）的肿瘤测序数据库基因组分析显示，超过30％的肿瘤患者和一些最具侵袭性的肿瘤LPCAT1拷贝数增加，且与升高的LPCAT1基因表达相关。升高的LPCAT1基因表达与更差的无瘤存活显著相关。LPCAT1常与位于5号染色体(5p15.33)的TERT(逆转录酶)共扩增。与LPCAT1不同，TERT扩增不会导致肺脏、肝脏和宫颈癌患者的存活时间缩短。这些结果表明，升高的LPCAT1 DNA拷贝数和增加的LPCAT1表达与患者的不良结果相关，与TERT无关。与LPCAT1不同，LPCAT家族的其他三个基因，LPCAT2、LPCAT3和LPCAT4，在TCGA肿瘤数据库中通常不被扩增。值得注意的是，LPCAT1扩增的肿瘤在编码已知致癌生长因子受体及其关键信号中间体的基因中显示出显著高水平共扩增和突变，表明LPCAT1可能是某些生长因子受体驱动的肿瘤潜在靶点。五、 LPCAT1耗竭通过影响饱和PC合成有效抑制肿瘤为评估LPCAT1拷贝数增加与不良生存相关的潜在治疗相关性。作者对LPCAT1 RNA敲低的2种非肿瘤细胞和18种肿瘤细胞进行了细胞活力验证。LPCAT1的基因耗竭显着降低了LPCAT1扩增的肿瘤细胞活力，并且在较小程度上降低了各种组织学类型的LPCAT1拷贝数增加的肿瘤细胞。为确定LPCAT1是否是体内其他LPCAT1扩增的肿瘤生长所必需，作者将H1437肺癌细胞和A498肾癌细胞进行LPCAT1-RNA诱导性敲低。与GBM细胞一致，LPCAT1的诱导性敲低同样使H1437肺癌细胞内LPCAT1蛋白下降、肿瘤细胞显著死亡，并可通过LPCAT1shRNA结构逆转。这些结果表明LPCAT1是不同组织学类型的多个LPCAT1拷贝数增加或扩增的肿瘤生长所必需。结论以上结果显示：LPCAT1将改变的肿瘤基因组与异常代谢和质膜重塑联系起来，通过产生饱和的PC驱动肿瘤生长（图4）。这些结果突出了LPCAT1作为将遗传改变的生长因子受体信号传导，与脂质重塑相结合，改变质膜的物理性质并产生促肿瘤细胞状态。图4.LPCAT1通过产生饱和的PC驱动肿瘤生长“论肿道麻”点评
本研究中，研究者不仅证明了LPCAT1是EGFRvIII扩增的GBM中关键的共依赖性靶点，而且还注意到LPCAT1在许多其他肿瘤类型中的高频率表达和扩增，包括那些在生长因子信号系统中具有突变的肿瘤，解释了其在临床上观察到的mRNA和蛋白水平的升高。质膜不是均一的结构，而是由不同的局部结构域组成，它们的脂质组成、结构和信号活性不同，可通过特定的脂质-脂质和脂质-蛋白质相互作用动态调节。多种生物合成途径及其产生的脂质可有助于肿瘤细胞独特质膜的组成。脂肪酸的合成、动员和摄取在多种肿瘤细胞中被上调，提供有助于广泛的质膜和信号传导的酰基团，支持肿瘤的发生。膜脂饱和度与肿瘤细胞对自由基和化学治疗剂的敏感性有关。改变脂筏形成的胆固醇和鞘脂也是肿瘤发病机制的关键。磷脂在确定肿瘤细胞质膜的信号传导特性方面也很重要。本研究结果显示，饱和的PC确定膜顺序，对允许由致癌生长因子受体突变激活的增殖信号传导至关重要，并且作者证明LPCAT1是肿瘤中产生这些饱和PC所必需。作者进一步确认PC32：0，PC28：0和PC30：0是LPCAT1产物，并证明LPCAT1衍生的饱和PC是肿瘤生长所必需。值得注意的是，这些饱和的PC以前被证明与大量乳腺肿瘤患者的侵袭性组织学和不良预后有关。肿瘤细胞中LPCAT1过度表达诱导的饱和磷脂的转变可能很好地反映了LPCAT1的底物特异性。LPCAT1通过控制质膜上EGFRvIII的量来调节EGFRvIII信号传导，降低受体内化和增加EGFRvIII与脂筏的结合，介导向饱和磷脂的转变。这些结果与先前的研究一致，表明质膜中磷脂饱和状态对于维持脂筏和限制受体内化非常重要。不同LPCAT通过调节PC饱和度来控制膜结构和信号传导活性来调控肿瘤细胞的活性。LPCAT3选择性地将多不饱和脂肪酸结合到PC中来降低膜中饱和PC水平，抑制肿瘤发生。对于靶向代谢共依赖性的抗肿瘤药物开发，不仅必须考虑靶向抑制对肿瘤细胞的影响，还必须考虑其对正常机体细胞生理学的影响。研究者发现LPCAT1的复制促进肿瘤，特别是生长因子驱动的肿瘤的发生，提示LPCAT1可作为临床肿瘤患者的潜在抗肿瘤治疗靶点。编译：侯文婷 审校：张军，缪长虹
原始文献：Junfeng Bi, Taka-Aki Ichu, Ciro Zanca et al. Oncogene Amplification in Growth Factor Signaling Pathways Renders Cancers Dependent on Membrane Lipid Remodeling. Cell Metab. 2019 Sep 3;30(3):525-538.e8. doi: 10.1016/j.cmet.2019.06.014.
“论肿道麻”系列回顾： 168.
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