近日，感染性疾病分子生物学教育部重点实验室在代谢紊乱与肝癌进展的研究中取得重要突破，向进博士、陈昶副研究员、刘芮博士和苟冬梅博士作为并列第一作者的研究成果“Gluconeogenic enzyme PCK1 deficiency promotes CHK2 O-GlcNAcylation and hepatocellular carcinoma growth upon glucose deprivation”于3月9日在线发表于国际著名医学期刊《Journal of Clinical Investigation》（DOI: 10.1172/JCI144703），唐霓教授、黄爱龙教授和汪凯副研究员为该文的共同通讯作者。该论文首次报道了肝癌组织中糖异生关键酶——磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶PCK1缺乏能够促进己糖胺生物合成途径（HBP），增强细胞周期检测点激酶CHK2蛋白的O-GlcNAc修饰，进而导致肝癌恶性增殖。而6-重氮-5-氧代-L-正亮氨酸（DON）和氨基氧乙酸（AOA）能阻断HBP介导的O-GlcNAc修饰，从而抑制Pck1肝脏特异性敲除小鼠的肝癌进展。上述研究首次证实了靶向O-GlcNAc糖基化修饰是一种潜在的肝癌治疗新策略。
代谢重编程与肿瘤的发生发展互为因果, 是肿瘤的重要特征之一。在实体肿瘤内部，细胞快速增殖导致营养过度消耗，生存环境出现严重的营养限制，例如葡萄糖缺乏。肿瘤细胞为了适应这样的环境，会发生代谢重塑以维持其恶性增殖。课题组长期致力于研究代谢异常与肝癌的发生发展。通过前期生物信息学分析，课题组发现肝癌组织中多个代谢基因表达量显著低于正常肝组织，其中包括胞质型磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶1（PCK1），即糖异生的第一步限速酶，负责催化草酰乙酸（OAA）转化为磷酸烯醇丙酮酸（PEP）。
己糖胺生物合成途径（Hexosamine-biosynthesis pathway, HBP）是机体利用葡萄糖、谷氨酰胺、乙酰辅酶A和UTP等合成的UDP-GlcNAc的过程，其终产物可作为氧连接N-乙酰葡萄糖胺（O-linked N-acetylglucosamine，O-GlcNAc）修饰的供体底物[4]。与磷酸化修饰相似，O-GlcNAc修饰是一种广泛的、动态的蛋白质翻译后修饰方式，参与基因转录和信号转导等多种细胞生命活动。既往研究表明，多种肿瘤组织呈现高O-GlcNAc修饰水平，提示其在肿瘤发生发展中起着重要作用[5]。而糖异生关键酶PCK1的失调是否有助于维持肝癌在葡萄糖缺乏环境中的高O-GlcNAc修饰水平和肿瘤生长？目前尚无相关报道。
课题组首先建立了PCK1基因敲除和过表达肝癌细胞模型、裸鼠移植瘤模型、以及DEN诱导的Pck1基因条件敲除小鼠肝癌模型，发现在低糖培养条件下，肝癌细胞系PCK1敲除后明显促进O-GlcNAc修饰和细胞增殖，而过表达PCK1则显著抑制O-GlcNAc修饰，同时在小鼠体内模型也验证了上述结论。进一步采用非靶标代谢物组学和靶标代谢质谱分析发现，PCK1敲除明显激活HBP途径，增强关键代谢物UDP-GlcNAc合成；同位素示踪法标记代谢流检测发现PCK1敲除通过OAA累积增加天冬氨酸和UDP-GlcNAc合成。此外，PCK1缺失还能通过抑制AMPK/GFAT1信号轴，进而促进HBP介导的O-GlcNAc修饰。 为了寻找O-GlcNAc修饰调控下游信号通路促进肝癌恶性增殖的分子机制，研究人员通过免疫共沉淀联合质谱（IP-MS）实验发现细胞周期调控的关键蛋白CHK2发生了O-GlcNAc修饰；其378位苏氨酸（Thr378）是该翻译后修饰的关键位点。Thr378位点O-GlcNAc修饰增强CHK2蛋白稳定性和二聚体形成，激活下游CDK2/Rb信号通路，从而促进肝癌增殖。此外，在Pck1肝脏敲除小鼠肿瘤模型和临床肝癌组织中验证了PCK 低表达、CHK2蛋白的O-GlcNAc修饰以及肝癌的增殖表型密切相关。
上述研究结果揭示了在葡萄糖缺乏条件下糖异生关键酶PCK1低表达或缺失促进HBP途径和维持肝癌增殖的作用，解析了PCK1缺失促进UDP-GlcNAc生物合成和O-GlcNAc修饰的分子机制，并揭示了CHK2 蛋白新的翻译后修饰——O-GlcNAc糖基化修饰在肝癌发生发展中的重要性。同时，该研究发现AOA和DON可以通过靶向HBP途径介导的 UDP-GlcNAc合成，从而抑制Pck1敲除小鼠肝癌生长，为肝癌提供了一种新的潜在治疗策略，有望促进开发以代谢为靶标的抗肿瘤药物。
O-GlcNAc修饰的鉴定工作得到了北京蛋白质组学国家重点实验室徐平教授团队的鼎力支持，同位素标记示踪实验得到了清华大学药学院胡泽平教授团队的大力帮助。该研究得到国家自然科学基金、重庆市科技创新领军人才支持计划以及重庆市科技局和重庆市教委等项目支持。