Cell Metabolism：非靶向代谢流分析产品助力揭示高果糖饮食促进肝细胞癌进展的机制

2023年10月，重庆医科大学等单位的相关研究人员在《Cell Metabolism》（IF: 29.0）上发表了题为“High dietary fructose promotes hepatocellular carcinoma progression by enhancing O-GlcNAcylation via microbiota-derived acetate”的研究论文，揭示了微生物群衍生的乙酸在高果糖摄入下调节O-乙酰葡糖胺糖基化修饰（O-GlcNAcylation）及肝细胞癌（HCC）进展中的作用。

研究背景：

高果糖饮食与多种生活方式疾病的发病率不断上升有关，包括2型糖尿病、非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）、心血管疾病和癌症。肝细胞癌（HCC）占肝癌的90%，与预后不良有关。流行病学研究表明，HCC的风险与每日果糖摄入量之间存在正相关关系。然而，关于果糖在HCC发展中的作用的潜在机制目前尚不清楚，需要进一步探索。

蛋白质的O-GlcNAcylation可作为细胞中的营养传感器。各种饮食，如高脂肪、高碳水化合物和高糖饮食，已被证明可以通过诱导高O-GlcNAcylation来促进癌症的进展，这表明O-GlcNAcylation是癌症细胞对饮食失衡做出反应的关键稳态机制。作为己糖胺生物合成途径（HBP）的最终产物，尿苷二磷酸N-乙酰葡糖胺（UDP-GlcNAc）是利用葡萄糖，谷氨酰胺，乙酰辅酶A和尿苷5'-三磷酸（UTP，由嘧啶代谢产生）产生的。使用UDP-GlcNAc作为底物，O-连接的N-乙酰葡糖胺转移酶（OGT）将O-GlcNAc基团偶联到丝氨酸/苏氨酸残基上，而O-乙酰氨基葡萄糖酶(O-GlcNAcase, OGA)是去除这种可逆修饰的唯一酶。在生理学上，O-GlcNAc稳态的破坏被认为是癌症的标志。然而，O-GlcNAcylation是否与高果糖饮食诱导的肿瘤之间的关系尚不清楚。

为了研究高果糖喂养对代谢反应和HCC进展的影响，研究人员使用野生型（WT）C57BL/6和二乙基亚硝胺（DEN）加CCl₄诱导的HCC小鼠模型，在饮用水中用或不用30%果糖处理10周，发现高果糖摄入可加速化学诱导的小鼠HCC进展。此外，在Pten敲除诱导的HCC模型中也有类似的发现。接着，研究人员对肝脏和肿瘤组织进行了代谢组分析，发现果糖处理后HBP的几种代谢产物发生了显著变化，包括6-磷酸葡糖胺和UDP-GlcNAc，嘧啶生物合成增强导致的UDP-GlcNAc水平增加可以进一步诱导肿瘤组织中的O-GlcNAcylation。而OGT的耗竭可显著抑制高果糖诱导的HCC进展，表明高果糖摄入通过增强O-GlcNAcylation促进HCC的进展。

在化学诱导的小鼠HCC模型中，高果糖摄入促进HCC进展

果糖可被肠道微生物群转化为乙酸，然后到达肝脏，作为肝脏脂质从头合成（DNL）的主要乙酰辅酶A供体。在胶质瘤中，乙酸通过TCA循环参与谷氨酰胺的从头合成，并促进肿瘤细胞的生长和转移。研究人员随后探究了果糖衍生的碳作为额外碳源的可能性，通过TCA循环支持谷氨酰胺合成，并促进HCC细胞中的O-GlcNAcylation，而不仅仅参与脂质生物合成。使用U-13C-标记的果糖灌胃小鼠，非靶向代谢流分析果糖在体内的代谢命运，证实了HCC细胞在富含果糖的环境中使用果糖衍生的碳来增加谷氨酰胺的合成。此外，进一步通过体外乙酸处理实验表明，HCC细胞而不是肝细胞可通过利用外源性乙酸促进细胞O-GlcNAcylation，且这依赖于GLUL。

果糖衍生碳通过 TCA 循环促进谷氨酰胺的从头合成

O-GlcNAcylation的全局分析显示，真核翻译延伸因子1A1（eEF1A1）T279位点的高O-GlcNAcylation水平促进细胞增殖和肿瘤生长。最后，研究人员探讨了微生物乙酸是否在体内促进HCC的进展，广谱抗生素（Abx）会耗尽肠道微生物群，Abx显著降低了高果糖饮食小鼠肿瘤组织中谷氨酰胺、UDP-GlcNAc和O-GlcNAc的水平，此外，Abx也抑制eEF1A1 的O-GlcNAcylation。相反，通过补充乙酸，Abx诱导的中间代谢产物、总O-GlcNAcylation和eEF1A1-O-GlcNAcylation的减少得以恢复。这些数据支持了这样一种假设，即高果糖饮食通过微生物乙酸诱导的高-O-GlcNAcylation促进HCC进展。

在高果糖喂养中，来自微生物组的乙酸促进O-GlcNAcylation和HCC进展

总之，该研究表明，饮食果糖衍生的乙酸通过增强UDP-GlcNA生物合成和O-GlcNAcylation来促进肿瘤细胞增殖和HCC进展。该研究结果不仅揭示了果糖通过微生物衍生的乙酸诱导HCC进展的详细机制，还揭示了O-GlcNAcylation在饮食失衡中的关键作用，并为HCC治疗提出了新的抗代谢策略。