【热点追踪】Nature初探机械力和代谢之间的爱恨情仇

【热点追踪】Nature初探机械力和代谢之间的爱恨情仇

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今天分享一篇有趣的力学与代谢的文章:2020年2月发表在《Nature》上的关于通过细胞骨架机械力调控糖酵解的文章:Mechanical regulation of glycolysis via cytoskeleton architecture.

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一、研究背景

1、作者和单位

这篇文章的通讯作者Gaudenz Danuser来自美国德克萨斯州达拉斯UT西南医学中心,文中作者绝大部分隶属于同一个单位,涵盖了生信、细胞生物、病理、肿瘤等等科室,从这么广的学科分布来看,就是一篇学科交叉的文章。不同于单纯的学科研究,学科交叉往往能让人眼前一亮。

2、机械力与代谢

在细胞微环境中存在各式各样的机械力,大致可以分为胞外、胞内、细胞间的力,具有感受组分和效应组份。部分机械力可以通过细胞骨架重构和肌动球蛋白收缩调节细胞功能,例如生长,增殖,凋亡,分化和形态改变。在人体肺部,支气管上皮细胞(HBEC)在每个呼吸周期中都受到机械刺激,而肺纤维化和肺癌会增加细胞外基质的硬度,改变正常和恶性细胞的生物学和功能。

正常细胞中的糖酵解和氧化磷酸化处于平衡状态,为了满足恶性肿瘤的增加的代谢需求,癌细胞的有氧糖酵解增加,目前尚不清楚细胞在适应各种机械力过程中代谢活性的改变

下面这篇文章就揭示了“力”和代谢之间的关系。

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二、研究内容

1、首先,作者利用软基质和硬基质模拟细胞外环境的机械应力,使用不同浓度胶原蛋白水凝胶培养人支气管上皮细胞HBEC,并通过计算机图形模拟,判断细胞的受力情况。硬质相当于加大细胞外的机械力,而软基质则减小了细胞外环境的机械力。当在软基质底物上培养HBEC细胞时,糖酵解代谢产物和三羧酸循环的产物均有下调。6-磷酸葡萄糖积累,同时下游中间产物耗竭,提示糖酵解上游受阻。在软基质上,糖酵解速率下降,而且WB实验和GPF标记显影提示关键酶PFK表达减少。

当作者将HBEC的肿瘤通路激活时,发现激活后的HBEC 突变细胞糖酵解速率重新恢复了。提示正常细胞和肿瘤细胞对机械应力反应力不同,表现为糖酵解代谢速率的不同改变。

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图1 糖酵解关键酶受到机械调控

2、紧接着作者提出:正常细胞的癌化,可能是通过影响PFKP的机械反应性,因为细胞感受外界的应力主要靠肌动蛋白和肌球蛋白收缩,于是作者在HBEC细胞中使用肌球蛋白II抑制剂(Blebb),发现PFKP的表达降低,糖酵解速率也降低。此外,作者通过软件量化细胞骨架的结构差异,证明在高粘附力条件下,F-actin的长度越长,在低的粘附力条件下,F-actin长度越短。进一步,作者使用LacA破坏F-actin,发现KRAS突变的肺癌细胞对这种破坏具有抵抗力。这一步提示机械应力是通过调节肌动蛋白细胞骨架从而调节糖酵解。

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图2 F-actin 肌动蛋白束长度与糖酵解速率有关

3、在不同机械应力条件下,作者分别发现了糖酵解和肌动蛋白束长度的差异表现,那么其背后的分子机制是什么呢?于是作者研究了PFK这个关键酶,通过MG132抑制蛋白酶体,WB实验发现PFKP出现泛素化拖尾带,提示PFKP经历蛋白酶体介导的降解。作者在数据库中找到名为TRIM21的E3泛素连接酶,,作者降低TRIM21的活性,成功抑制PFKP的降解。而过表达TRIM21时,PFKP含量降低。提示TRIM21在糖酵解的机械反应中可能起到作用。

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图3 TRIM21 介导了机械性PFKP的降解

4、后续作者又继续证明TRIM21和F-actin的联系,发现两者有共定位,COIP实验也直接证明两者的结合。后续的质谱筛查也找到了TRIM21和F-actin结合,提示TRIM21靶向PFKP是部分通过将其结合到肌动蛋白束来调节的。文献报道,突变体ACTN1(Y246E)可以直接操纵F-肌动蛋白结构,可以增强肌动蛋白束,当突变体中产生强肌动蛋白束,可以影响PFKP-GFP的表达,即原来在软基质培养时PFKP会下降,但是增强F-actin结构以后,PFKP并无下降。进一步从正面和反面都证明了TRIM21通过靶向肌动蛋白束发挥调控PFKP的作用。

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图4 E3连接酶TRIM21被F-actin束反向调控

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文章模式图

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三、亮点总结

这篇文章虽然主图只有四幅,但是其创新点足以让其登上Nature,第一次找到了机械力与糖代谢之间的关系,正常细胞对机械应力十分敏感,PFK降解明显,糖酵解速率下降;而肿瘤细胞对机械应力不敏感,还能继续维持糖酵解速率,而这些与TRIM21和F-actin相关。可以形象的比喻为:正常细胞脸皮薄,打了癌细胞一巴掌(施加机械应力),就不偷偷吃糖了(糖代谢速率减低),但是癌细胞脸皮厚,打都打不动。

当然,这篇文章胜在学科交叉的立意较新,不过对于下游机制,还有更多可以探索的方向,说不定许多实验室已经嗅到这个热点,开始布局了。小编能想到的比如机械应力在肿瘤微环境中还有哪些代谢相关的影响?干预这种机械反应性,能否阻止肿瘤的发生呢?这些都是很有趣的问题。

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END
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