Cell Death & Disease：曹亚团队揭示CPT1A介导的脂肪酸氧化通过核苷代谢促进鼻咽癌细胞增殖

代谢重编程有助于肿瘤细胞改变其代谢的能力，以支持由于其快速生长和增殖而延长的能量需求。脂质代谢在快速增殖的细胞中发生改变，如癌细胞。异常脂肪酸氧化（FAO）是肿瘤能量代谢重编程的重要组成部分。肉碱棕榈酰转移酶1（CPT1）通过将长链脂肪酸转运到线粒体，构成FAO的限速步骤。CPT1A是CPT1转运系统的一个亚型，控制脂肪酸进入线粒体进行氧化。

鼻咽癌（NPC）是头颈部鳞状细胞癌 (HNSCC) 的主要亚型，在东南亚发病率较高。NPC 的发病率与 EB 病毒 (EBV) 感染、遗传易感性和环境因素密切相关。有研究发现CPT1A 拷贝数增加与食管鳞状细胞癌患者的总生存期降低有关。

依赖CPT1A的FAO在癌细胞的细胞周期进程中起着至关重要的作用。CPT1A可能是脂质分解代谢和细胞周期调节之间的联系纽带。此外，从头核苷酸合成需要葡萄糖、谷氨酰胺和天冬氨酸衍生的代谢中间产物，而脂肪酸碳对于内皮细胞中 dNTP 的合成是必不可少的。鉴于癌细胞的高增殖率和对核苷酸的需求，从头合成嘧啶在快速增殖的细胞中占有重要地位。因此，辨别CPT1A介导的FAO作为碳源是否促进细胞核苷合成将为解决细胞增殖的可能机制提供线索。

首先，研究人员使用代谢组学方法构建了全局代谢谱，发现永生化鼻咽上皮细胞和 NPC 细胞之间的总体代谢水平存在显著差异。与 NP69 细胞相比，C666-1 细胞中肉碱和乙酰肉碱的水平要高得多，另外两种 NPC 细胞类型也是如此。这表明NPC细胞中的脂质代谢可能处于活跃状态。进一步的靶向代谢组学分析显示，C666-1 细胞中的酰基肉碱和酰基辅酶A 水平显著改变。¹³C16-棕榈酸酯标记的代谢流分析显示，C666-1 细胞中的酰基肉碱显著增加，其代谢产物乙酰辅酶 A 的细胞内浓度也有所增加。这些结果显示NPC细胞中FAO的异常激活。此外，研究人员检测了三种肉碱棕榈酰转移酶同工酶（CPT1A、CPT1B 和 CPT1C）的表达，并确定 CPT1A 是 NPC 细胞中唯一高度表达的肉碱棕榈酰转移酶，其蛋白表达水平和 CPT1 酶活性也增加。

NPC细胞中的CPT1A介导FAO的异常激活

为了阐明 CPT1A 对 NPC 细胞增殖的影响，研究人员构建了CPT1A敲低的 C666-1-shCPT1A 和 HONE1-shCPT1A 细胞，发现CPT1A的敲低会降低细胞的增值，增加细胞内中性脂质含量。¹³C 同位素示踪实验表明，CPT1A的敲低降低了C666-1-shCPT1A 细胞中的酰基肉碱含量，胞内FAO活性降低。研究人员还利用软琼脂菌落形成试验来测试体外细胞锚定非依赖性生长。 数据显示，CPT1A 的敲低显著降低了 NPC 细胞的克隆效率。而为了证实 CPT1A 诱导的体外表型变化，研究人员将 NPC 细胞植入无胸腺裸鼠体内，并据此监测异种移植物的生长。结果发现，CPT1A 的敲低显著降低了体内肿瘤生长和肿瘤重量。 这些结果表明，高表达的 CPT1A 在促进 NPC 细胞的增殖和致瘤性中具有潜在的作用。研究人员还检测了HNSCC中CPT1A的基因组扩增情况，其拷贝数的增加可能是NPC中CPT1A表达增加的原因之一。

CPT1A 促进 NPC 细胞中的FAO、增殖和致瘤特性

研究人员接着通过NPC 患者表达谱中的基因集富集分析 (GSEA) 分析了 CPT1A 和其他受各种信号通路调节的基因的表达。 发现NPC中的CPT1A表达水平与DNA复制和嘧啶代谢途径呈正相关。核酸相关代谢物分析表明，与 NP69 细胞相比，C666-1 细胞中的嘌呤和嘧啶代谢物水平更高。在内皮细胞中，脂肪酸中间体为生物合成途径（例如 dNTP 合成）提供了基础。因此，研究人员通过追踪 ¹³C 标记的棕榈酸酯来确定生物合成途径中的中间代谢物和产物是否发生了相应的变化。结果表明，[U-¹³C] 棕榈酸酯是 NPC 细胞中嘧啶的碳源，主要通过其穿梭和氧化为乙酰辅酶 A 来促进核苷合成。 因此，研究人员评估了核苷合成受损是否会导致 NPC 细胞中干扰 CPT1A 的增殖缺陷。实际上，来自[U-¹³C]棕榈酸酯的标记碳被掺入胞嘧啶和尿苷中，并且这种掺入会随着CPT1A的沉默而减少。NPC细胞中核苷代谢中间体含量的增加促进了CPT1A异常高表达在参与细胞周期调控的代谢重塑点的生物学功能。

通过 NPC 细胞中 CPT1A 介导的 FAO 增加核苷酸代谢中间体的丰度

Etomoxi（Eto）是CPT1抑制剂，研究人员最后使用不同浓度的Eto处理细胞，叠加的细胞周期流动结果表明，FAO的抑制阻止了G1期的同步细胞周期进程。对细胞周期中G1期调控分子标记物的检测显示， FAO的抑制降低了细胞周期G1相关蛋白的表达，并干扰了下游Rb信号通路。

为了进一步验证 Eto 治疗通过能量损失或核酸代谢物的下调引起 G1 停滞，研究人员添加了 ATP 来逆转 Eto 诱导的 G1 停滞。结果表明，添加 ATP 可以逆转 AMPK 和 GSK3β 的磷酸化，但细胞周期蛋白 D1 和 CDK4 的表达以及 Rb（Ser780，Thr821）的磷酸化水平在额外的 ATP 处理的细胞中增加。此外，研究人员还观察到添加 ATP 或核苷混合物部分逆转了细胞增殖抑制，也部分挽救了 C666-1 细胞中由 Eto 处理引起的 G1 期停滞，这表明 FAO 阻断损害了核苷合成。这些结果表明，CPT1A 介导FAO 维持核苷代谢中间水平，这对NPC 细胞周期进程和增殖至关重要。

CPT1A 参与调节 G1 期细胞周期调节蛋白

总之，本研究阐明了FAO在NPC中的代谢特征，并确定CPT1A是FAO异常激活的关键分子。该发现为CPT1A介导的FAO维持核苷代谢中间水平的新功能提供了证据，这支持NPC中的细胞增殖、存活和代谢适应。这种分子机制是基于能量产生和肿瘤细胞生长之间的联系。