发表杂志：cancer research

影响因子：12.7

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研究背景：代谢重组的一个重要特征是癌细胞相对于正常细胞的同工酶组成的改变，代谢重编程是恶性转化的一个标志。同工酶是由不同基因编码的不同蛋白质，催化相同的酶反应，但通常具有不同的胞内定位，不同的动力学和底物亲和力。大多数正常细胞表达不同的同工酶集，这有助于关键生化过程的冗余性和稳健性，癌细胞往往失去这种多样性，并表达单一的癌症显性同工酶。LID定义为一种成为癌症的主导亚型。目前还没有系统地研究有多少代谢酶受到癌症特异性同工酶多样性损失(LID)的影响，如果LID影响细胞存活关键生物过程中的速率限制催化步骤，那么它可能代表癌细胞的潜在治疗敏感性。

研究结果：

一、同工酶在癌症和相应的正常组织中的表达模式

1、从TCGA RNA SeqDB数据库中获得了同工酶在14种不同癌症类型和相应的正常组织中的mRNA表达数据(图1a)，可用的配对肿瘤正常样本数量从食管癌11例到乳腺癌105例不等(图1b)

2、不同癌症类型中表达的同工酶的总数为2200到2261，在所有癌症类型中检测到93%的酶反应和90%的个体同工酶，这与它们在细胞生物学中的基本作用一致(图1C、D) ，15种同工酶表现出癌症类型特异性表达(图1C)。

3、同工酶表达模式的癌症组织和正常组织之间的差异小于不同癌症类型之间的差异(图1E)，表明大多数组织特异性代谢特征在癌细胞中仍然存在。

4、在患者水平上分析肿瘤-正常同工酶对，发现所有癌症类型中癌症间差异表达同工酶的比例存在显著差异(图1F)。

二、癌症中同工酶多样性的损失

1、受LID影响同工酶的选取标准如图2A，共鉴定了357种不同的酶反应，其中55例（15%）仅在单一癌症类型中观察到(图2b、C)

2、一些同工酶在所有癌症类型中都表现出一致的高选择分数(图2d)。

3、357个受LID影响的代谢反应代表了广泛的生化途径(图2E).

三、候选同工酶靶点在癌细胞系中的表达和来自全基因组敲除筛选的体外细胞活力依赖性

1、分析了在CCLE和DepMap数据库中有10个或更多细胞系的癌症类型(图3A，B)。

2、大约50%的受LID影响的同工酶在相应的细胞系中表现出癌症显性表达，有33种同工酶在TCGA中显示LID的癌症类型中符合我们的功能优先级标准(图3c)。

四、乳腺癌亚型中的同工酶靶点

1、已鉴定的49种同工酶在所有乳腺癌亚型中均具有癌症显性，从而产生178个独特的潜在代谢靶点(图4a)，碳水化合物代谢途径在治疗靶点中最为丰富(图4b)

2、9种同工酶符合HR+/HER2癌症高优先代谢目标的所有标准，4种符合HER2+癌症，11种符合TNBC标准(图4c)。

3、这些同工酶中只有一种，3-羟基丁酸脱氢酶(BDH1)，符合所有三种癌症亚型的所有验证标准(图4d)。

五、ACACA/ACACB小分子抑制剂对乳腺癌体内外活性的影响

1、PF-05175157在10μg/mL浓度下，显著抑制了所有细胞系（除1个细胞系外）的细胞活力(图5a)。

2、对剂量响应曲线拟合的Log-logistic模型给出了每个细胞系不同的斜率、EC50和最小生存能力，但所有抑制效应都非常显著(图5b)。

3、接下来，检测了高敏感的MDAMB478和BT474细胞暴露于PF-0517515724和72小时后的细胞周期进程和凋亡影响。在G2/M期，细胞数量均有时间依赖性 (图5c)，然后在72小时，两种细胞系的细胞凋亡数量均显著增加(图5d)。

4、通过评估PF-05175157在MDAMB468肿瘤异种移植和三阴性患者来源的异种移植模型中的疗效，与对照组相比，PF-05175157显著抑制了肿瘤的生长(图5e)。

六、在乳腺癌细胞系中抑制ACACA/ACACB后的转录组学和代谢谱分析

1、在BT474细胞中，6小时时，148个基因表达上调，210个基因表达下调，24小时时，转录组变化增加到534个基因表达上调，499个基因表达下调(图6a)。

2、BT474细胞在24小时内显著下调了213个显著上调基因和251个下调基因，并且在MDAMB486细胞中观察到了同样现象，表明存在共同转录反应（图6B）。

3、在通路水平上，许多参与代谢过程的基因的表达增加，表明存在大规模的代谢代偿反应 (图6c)。

4、在MDAMB468细胞中，24小时后，DNA修复和细胞周期相关基因显著减少。参与脂质释放、细胞外空间脂肪酸摄取和柠檬酸利用率的酶显著上调(图6d)。代谢谱还显示了许多代谢途径中代谢物水平增加（图7A）

5、在BT474细胞中有278个显著的代谢物上调，66个下调的代谢物，并在MDAMB468细胞中相应的时间点表现出相同的变化(图7b)

6、在代谢物丰度水平上，BT474细胞和MDAMB468细胞也有相似的变化(图7c)

总结：

该研究中，使用TCGA mRNA表达数据检测了14种癌症类型中1319种酶反应的同工酶表达模式，以确定成为癌症显性的同工酶。对600多个细胞系的表达模式的评估表明50%的LID受影响的同工酶在相应的细胞系中表现出癌症显性表达。在全基因组CRISPR和RNAi功能缺失筛选中，对癌症显性同工酶的功能重要性进行了评估：17%对细胞增殖至关重要，这表明了它们作为治疗靶点的潜力。最广泛的功能验证的靶点是乙酰辅酶a羧化酶-1(ACC1)。小分子抑制ACC1降低了乳腺癌的体外生存能力，并抑制了体内细胞系和患者来源的异种移植物的肿瘤生长。对药物治疗效果的评估显示了显著的代谢和转录干扰。这项工作阐明了癌症生物学中固有的代谢可塑性的一个重要但被忽视的方面