营养与健康所等发现衰老细胞代谢调控关键机制学术资讯

10月31日，中国科学院上海营养与健康研究所孙宇研究组在《自然-代谢》（Nature Metabolism）上，在线发表了题为PDK4-dependent hypercatabolism and lactate production of senescence cells promotes cancer malignancy的研究论文。该研究揭示了衰老相关分泌表型（SASP）广谱表达的同时，一种关键代谢因子-丙酮酸脱氢酶激酶4（PDK4）在衰老细胞中显著上调，后者可以介导衰老细胞代谢重编程并使其呈现一种葡萄糖高分解代谢的特性。该工作解析了细胞衰老、乳酸生成、器官退行和增龄相关疾病之间的关联，并开创了相应的干预策略。

研究组在深度分析衰老细胞的表达特征和代谢活性时发现，与葡萄糖分解代谢有关的蛋白酶PDK4在细胞衰老过程中显著上调，并在不同类型衰老细胞中均有出现。在表达规律上，PDK4与多数SASP因子几乎同步上调，此后基本维持在一个平台期，并在基质细胞中的幅度显著高于癌细胞。研究在对前列腺癌和乳腺癌临床样本进行分析时发现，化疗后阶段癌症患者病灶中PDK4的表达水平同组织中的细胞衰老程度直接相关，并与疗后阶段癌症患者的生存期之间负相关。这表明PDK4在衰老细胞群中的表达可能具有重要的病理意义。

研究进而发现，与增殖细胞相比，衰老细胞的糖酵解强度和TCA循环活性均发生了深刻变化。与葡萄糖酵解密切相关的代谢物如DHAP、GAP和3-PG的产量均有上升，后两者的变化表明衰老细胞能够进一步利用一些中间代谢物如柠檬酸、α-酮戊二酸、谷氨酸、琥珀酸、富马酸和苹果酸。一些酵解支路和TCA循环相关的基因如GLUT1、MCT4、HIF1α、PGK1、PGI和CS，普遍在衰老细胞中上调表达。研究在基于荷瘤小鼠的预临床试验中发现，衰老细胞的存在加速了肿瘤进展，但敲除PDK4后这一趋势则被明显抑制。尽管PDK4特异性抑制剂PDK4-IN的单独治疗没有产生明显益处，但化疗药物MIT治疗则导致肿瘤显著缩小。当PDK4-IN与MIT联合使用时，科研人员观察到：肿瘤进一步缩小；与安慰剂组相比，肿瘤体积总体降低了75.1%。组织学分析表明，接受MIT治疗的小鼠肿瘤组织中SA-β-GAL阳性水平升高，但PDK4-IN给药则导致SA-β-GAL阳性率降低，暗示PDK4可能促进化疗条件下动物体内衰老进程。

进一步，研究选择在治疗开始后的第7天从体内解剖肿瘤，而这是耐药性克隆出现之前的重要时间点之一。与安慰剂组相比，MIT本身导致癌细胞显著的DNA损伤和凋亡。虽然PDK4-IN单独用药既不能引起典型的DDR，也不能诱导细胞凋亡，但与MIT联合使用则对提高这些指标有显著效果。在MIT给药后，典型的凋亡指标尤其caspase 3自裂解增加，而PDK4-IN与MIT联用则进一步增强了这一趋势。将PDK4靶向药物与经典化疗相结合可增强肿瘤对治疗的反应，而不会引起严重的全身性细胞毒效应，且肝肾等主要器官功能未受影响，说明这一组合方案的可行性和安全性，并具有未来向临床转化的良好前景。