JCI: 非靶向代谢流分析产品助力揭示糖异生代谢酶PCK1抑制肝癌进展的新机制

2023年5月，重庆医科大学的相关研究人员在《The Journal of Clinical Investigation》（IF: 19.5）上发表了题为“Gluconeogenic enzyme PCK1 supports S-adenosylmethionine biosynthesis and promotes H3K9me3 modification to suppress hepatocellular carcinoma progression”的研究论文，揭示了关键代谢产物S-腺苷甲硫氨酸（SAM）作为连接糖异生酶磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶1（PCK1）和组蛋白H3赖氨酸9三甲基化（H3K9me3）的桥梁在减轻肝细胞癌（HCC）进展中的作用，提出了一种潜在的治疗HCC的策略。

亮点概述：

糖异生酶磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶1（PCK1）通过丝氨酸合成途径（SPP）促进了S-腺苷甲硫氨酸（SAM）的产生。
甲基转移酶SUV39H1催化SAM，SAM作为甲基供体支持组蛋白H3赖氨酸9三甲基化修饰，进而抑制癌基因S100A11的表达。
S100A11与AKT1的相互作用，上调PI3K/AKT信号通路，促进HCC进展。

研究背景

组蛋白的翻译后修饰（PTMs）失调，如甲基化和乙酰化，被认为在许多癌症的发生和发展中发挥着重要作用。组蛋白甲基化由组蛋白甲基转移酶（HMTs）催化，HMTs可以激活或抑制基因表达，这取决于修饰的特定组蛋白残基以及添加的甲基数量。

HMT使用SAM作为甲基供体，转移其甲基以产生S-腺苷同型半胱氨酸（SAH）和甲基化底物。细胞内SAM丰度的变化直接影响甲基化修饰水平。最近的研究表明，肝脏可以被视为人体的SAM工厂，几乎85%的甲基化反应都发生在肝脏，表明SAM水平异常或组蛋白甲基化异常可能在癌症的发生中发挥重要作用。

糖异生是糖酵解的反向途径，主要发生在肝脏中，在代谢重编程和肿瘤生长中发挥关键作用。PCK1是肝脏糖异生的初始酶，催化草酰乙酸（OAA）转化为磷酸烯醇丙酮酸（PEP）。以前的研究发现，PCK1在HCC中下调，且在体外和体内敲除PCK1都会增强HCC的增殖和转移。然而，PCK1在HCC中的复杂代谢功能和机制尚未明确，PCK1是否在组蛋白甲基化中发挥代谢作用以控制基因表达仍不清楚。

为了解析PCK1在组蛋白甲基化中的作用，研究人员首先检测了PCK1敲除（PKO）细胞中的常见组蛋白甲基化标记物，发现PCK1的缺失可显著下调肝癌细胞组蛋白H3K9me3修饰。H3K9me3是一种关键的非活性表观遗传学标记，其失调已在许多人类癌症中观察到。代谢组学分析显示，PCK1催化TCA中间体进入丝氨酸合成途径（SSP），在肝癌细胞中维持相对高水平的SAM和H3K9me3修饰。

PCK1上调H3K9me3水平，并通过增强SSP通量提供甲基供体

为了进一步阐明PCK1是否驱动TCA中间体进入SSP，从而为SAM的产生提供底物，研究人员使用基于液相色谱-串联质谱（LC-MS）的¹³C示踪方法来表征动态代谢活性。均匀标记的U-[¹³C]-谷氨酰胺示踪的结果表明， PCK1促进了SSP通路的流动，增加了SAM的合成，为H3K9me3修饰提供甲基。除了甲基供体的可用性外，组蛋白甲基化还受到各种甲基转移酶的动态调节。SUV39H1是一种重要的H3K9me3甲基转移酶，SUV-KO实验证实，PCK1促进H3K9me3修饰和抗肿瘤发生表型依赖于SUV39H1的活性。

PCK1通过SSP和SUV39H1增强SAM对H3K9me3的修饰

为了确定H3K9me3在肝癌细胞基因表达中的调节作用，研究人员随后使用ChIP-seq、RNA-seq高通量测序，结合TCGA数据库分析PCK1敲除细胞中H3K9me3富集和转录水平的差异，筛选出差异基因S100家族钙结合蛋白A11（S100A11），PCK1以H3K9me3依赖的方式抑制癌基因S100A11的转录，该基因的敲除证实了其在PCK1缺乏诱导的HCC细胞增殖、迁移和肿瘤发生中起着关键的致癌驱动作用。

研究人员随后探究了PCK1缺失诱导的S100A11上调的致癌机制，通过将ChIP-seq与RNA-seq数据相结合，并分析KEGG中的相关途径，发现PI3K/AKT途径最为显著。基因表达和免疫共沉淀分析表明，S100A11通过蛋白-蛋白相互作用结合AKT1分子的PH结构域，促进AKT信号通路激活和肝癌恶性进程。此外，研究人员在Pck1敲除小鼠肝癌模型中，补充SAM或敲除S100A11的抑癌作用进行了验证。