Cell Death & Disease：李友军/江从庆团队合作揭示p53抑制肿瘤生长的代谢途径

2023年2月，武汉大学等单位的相关研究人员在《Cell Death & Disease》（IF: 9.7）上发表了题为“p53 promotes peroxisomal fatty acid β-oxidation to repress purine biosynthesis and mediate tumor suppression”的研究论文，将p53与过氧化物酶体脂肪酸氧化、嘌呤生物合成和结直肠癌发病机制联系起来，揭示了p53作为有效肿瘤抑制因子的代谢途径。

亮点概述：

p53介导过氧化物酶体脂肪酸氧化（FAO）的增加，导致乙酰辅酶A（Acetyl-CoA）水平增加。
p53诱导乙酰转移酶KAT2B的表达，通过KAT2B介导的5-氨基咪唑-4-甲酰胺核糖核苷酸甲酰转移酶/IMP环化水解酶（ATIC）乙酰化增加，使ATIC失活。
ATIC的乙酰化影响细胞嘌呤生物合成，进而抑制肿瘤生长。

研究背景：

作为一种主要的抑癌基因，p53以多种方式抑制增殖和肿瘤发生，包括诱导细胞周期停滞和促进凋亡和衰老。最近的研究揭示了p53在代谢中的其他作用，包括对糖酵解、戊糖磷酸途径、线粒体氧化磷酸化、以及氨基酸/核苷酸和脂质生物合成的调节作用。这些代谢调节可能对p53的肿瘤抑制活性发挥着重要作用。

脂肪酸β-氧化（FAO）失调是癌症代谢重编程的常见特征。FAO通常存在于线粒体和过氧化物酶体中。已有研究表明，p53可增强线粒体FAO。乙酰辅酶A（Acetyl-CoA）不仅是FAO分解代谢途径的最终产物，还是组蛋白和其他蛋白质的乙酰基供体。

嘌呤代谢为细胞提供维持生存和增殖所需的关键合成代谢辅因子，对快速分裂癌细胞尤其重要。然而，嘌呤生物合成平衡的实现和维持机制仍不清楚。5-氨基咪唑-4-甲酰胺核糖核苷酸甲酰转移酶/IMP环化水解酶（ATIC）是嘌呤代谢中的一种关键代谢酶，催化该途径的最后两个步骤。

研究人员构建了p53基因敲除小鼠（VP小鼠），并通过AOM-DSS诱导构建小鼠结肠癌模型。RNA-seq和基因集富集分析（GSEA）发现，p53基因敲除与FAO相关基因的显著下调相关。研究人员随后通过相关基因的蛋白质表达，以及质谱（MS）分析稳定同位素标记的长链脂肪酸（过氧化物酶体利用极长链脂肪酸作为FAO的底物）比率，证实了p53可促进过氧化物酶体的β-氧化作用。进一步探究发现，p53直接与维生素D受体（VDR）相互作用，以增强过氧化物酶体FAO相关基因的转录。

p53促进过氧化物酶体β-氧化

过氧化物酶体在脂质代谢中发挥重要作用，每一轮FAO产生一摩尔较短的脂酰CoA（-2C）、一摩尔H₂O₂和一摩尔Acetyl-CoA。在此背景下，研究人员发现VP小鼠组织和p53缺陷细胞AOM/DSS CRC中的总胞浆Acetyl-CoA水平显著低于其WT对照组。此外，在二十二烷酸同位素示踪实验中，源自过氧化物酶体FAO的标记Acetyl-CoA（M+1）含量在p53缺陷细胞中显著减少。先前的报告表明，p53在代谢应激下促进线粒体FAO，这可能有助于胞浆Acetyl-CoA水平的增加。然而，[¹³C]-棕榈酸标记实验显示，p53 缺陷细胞中的胞浆Acetyl-CoA（M+2）水平显著高于p53 WT细胞。这归因于p53缺失使产脂酶ACLY的表达显著增加，而包浆Acetyl-CoA主要经过ACLY从柠檬酸中产生。这些结果证明了过氧化物酶体FAO对胞浆Acetyl-CoA产生的重要作用。

除了在能量代谢和生物合成中的作用外，Acetyl-CoA还充当许多蛋白质的乙酰基供体。研究人员通过MS分析鉴定乙酰化肽段，以及相关蛋白的表达分析，确定p53通过KAT2B乙酰转移酶促进K266乙酰化来抑制ATIC活性，ATIC是一种双功能酶，催化从头嘌呤生物合成的最后两个步骤。

来自p53介导的过氧化物酶体的乙酰辅酶A调节ATIC活性

研究人员接着探究了ATIC K266乙酰化对肿瘤生长的影响，发现ATIC-K266R的异位表达促进了比WT-ATIC更快的肿瘤生长，表明ATIC乙酰化在CRC生长的调节中起着重要作用。此外，ACOX1的过表达可显著增加ATIC乙酰化，抑制了小鼠异种移植肿瘤组织中的ATIC活性，从而抑制肿瘤生长。使用小分子抑制剂Cpd14靶向ATIC，阻止其同聚体化和活化可抑制CRC发生。

最后，为了进一步研究上述新型p53-KAT2B-ATIC轴的潜在临床相关性，研究人员收集了45对具有相邻正常结肠组织（N）的人类CRC样本（T）以及详细的病理和临床信息。分析表明，ATIC乙酰化在人的CRCs中下调。TCGA数据库分析发现，高水平表达过氧化物酶体FAO基因的TP53野生型患者具有良好的生存率，表明ATIC乙酰化在人类CRC发病机制中起着关键作用。