導讀
所有腫瘤，包括乳腺癌，都表現克隆異質性，這些異質性克隆反過來又必須適應不斷變化的腫瘤微環境，這就需要腫瘤細胞不斷地重組它們的代謝途徑，因此許多腫瘤顯示出高度的代謝靈活性。
MYC 是一種原癌基因和多效轉錄因子，在一系列癌症的惡性進展中，具有高表達水平的克隆以亞克隆的形式出現，通常與較高的分級和較差的生存率相關。儘管 MYC 被認為是代謝的主要調節因子，但在多克隆性的病理生理學背景下，這些惡性亞克隆的真正代謝特徵仍不清楚。
近日，來自弗朗西斯克裡克研究所等單位的研究團隊在Nature Metabolism發表了題為Vitamin B5 supports MYC oncogenic metabolism and tumor progression in breast cancer的文章。該研究發現，癌症驅動基因 MYC 高表達的乳腺癌細胞嚴重依賴維生素 B5 來生長和存活。通過飲食限制維生素 B5 會引起許多 MYC 介導的代謝改變的逆轉，並導致腫瘤生長受阻。
因此，這項研究確定了維生素和輔助因子作為腫瘤進展的潛在干預靶點，將來或可用於腫瘤治療。
圖片來源：Nature Metabolism
主要研究內容
乳腺多克隆性腫瘤的原位分割
首先，他們採用了乳腺癌中 MYC 異質性的誘導性和可追蹤模型，該模型由 WNT1 驅動，但也可選擇包含 MYC-ERT2結構，該結構表達超生理水平的 MYC-ER 融合蛋白，該腫瘤模型被稱為 WM，涉及兩個致癌基因。無 MYC-ERT2（WMlow）的克隆表達 tdTomato 作為示蹤劑，而有 MYC-ERT2（WMhigh）的克隆表達增效綠色熒光蛋白（eGFP），此外還有兩個克隆的混合型 WMmix。
他們發現，三種 WM 腫瘤類型的代謝組學特徵證實了之前在腫瘤中急性切換 MYC 時的觀察，包括幾種氨基酸水平的增加，以及磷脂醯乙醇胺（PE）、磷脂醯膽鹼（PC）和磷脂醯甘油（PG）。WMhigh腫瘤的代謝分析顯示，與細胞生長相關的通路顯著增加，包括絲氨酸和甘氨酸代謝等。
隨後，他們計劃在原位定義與 WM 個體克隆最密切相關的代謝物和代謝途徑。為此，他們設計了一種多模態相關成像策略，將解吸電流聚焦電離（DEFFI）質譜成像（MSI）與熒光顯微鏡相結合。將液相色譜-質譜（LC-MS）和 DEFFI-MSI 共同檢測的代謝物進行比較，他們發現在 WMhigh和 WMlow腫瘤中，一些代謝物的分佈具有良好的一致性。
為了以一種無偏頗的方式分割腫瘤，他們採用了一種最近發表的離子共定位分析方法，該方法根據整個獲得的圖像中離子的相似空間行為將其組合成模組。他們共確定了 6 個離子模組，其中一個與 WMhigh相關，一個與 WMlow相關，這兩個模組一旦投射到 WMmix腫瘤組織上，就會突出克隆特異性的自動分割。通過分析他們的資料，也強調了這種圖像和分割方法的魯棒性。
圖片來源：Nature Metabolism
維生素 B5 與 MYC 高的腫瘤區域相關
為了確定 MYC 介導的代謝重組的核心代謝物，他們將整體代謝分析和 MSI 資料相結合，提取了通過整體代謝途徑分析識別出的所有具有統計學意義且改變的代謝產物，並探討了它們與 WMhigh和 WMlow腫瘤的相關性。
經過分析，他們發現其中相關性最強的是維生素 B5 （泛酸，簡稱 PA）。PA 是輔酶 A（CoA）的前體，輔酶 A 是一種硫醇，通過形成硫酯作為羧基的活化劑。因此，它是許多關鍵代謝途徑所必需的，包括三羧酸循環和脂肪酸的生物合成和氧化。值得注意的是，在 WMmix腫瘤中，維生素 B5 與 WMmix高克隆體有很高的重疊。
為了研究這一發現的臨床相關性，他們首先使用了一組人類患者來源的異種移植（PDXs）皮下移植到免疫受損小鼠。MYC 水平最高或 MYC 轉錄譜較強的 PDXs 顯示維生素 B5 水平的升高。為了進一步了解 MYC 表達與維生素 B5 原位表達之間的關係，他們採用上述相關的 MSI 方法，將 DEFFI 成像與免疫組化（IHC）相結合。相關結果也證實了高 MYC 區域表現出維生素 B5 水平的升高。值得注意的是，DEFFI 顯示維生素 B5 高信號強度也與人乳腺癌原發活檢中 MYC 高表達區域有很強的相關性，這支持了 MYC 和維生素 B5 代謝之間關聯的臨床意義和總體有效性。
為了確定維生素 B5 在腫瘤 WMhigh區域的積累確實是由 WMhigh細胞驅動的，他們設計了一種新的、超高解析度的相關 MSI 技術，該技術結合了熒光顯微鏡、電子顯微鏡和奈米級二級離子質譜（NanoSIMS），允許代謝物摻入的亞細胞定位。分析結果表明，在 WMhigh區域觀察到的維生素 B5 水平的增加是由於細胞自主地增加了維生素 B5 的攝取，然後用於合成下游代謝產物。
圖片來源：Nature Metabolism
MYC 高的腫瘤區域三羧酸循環的中間產物增加
維生素 B5 作為輔酶 A 的前體，在糖酵解過程中允許碳進入三羧酸循環，以及在 α-酮戊二酸轉化為琥珀酸的過程中發揮核心作用。接下來，他們向 WM 腫瘤注入葡萄糖或谷氨醯胺，並通過相關的 DEFFI-MSI 和熒光顯微鏡原位追蹤其同位素標記的下游代謝產物。正如預期的那樣，與 WMlow相比，WMhigh腫瘤中的谷氨醯胺分解代謝增加。
此外，通過對主要代謝化合物的離子圖像進行最大強度的歸一化後，他們觀察到三羧酸循環活性增加與 WMhigh克隆存在明顯關聯。因此，WMhigh克隆具有更高水平的維生素 B5 ，這反過來與更活躍的三羧酸循環相關。因此，MYC 活性的提高促進了維生素 B5 的攝取和代謝，從而促進了更活躍的三羧酸循環和代謝產物攝取。
圖片來源：Nature Metabolism
缺乏維生素 B5 會降低腫瘤的生長
鑑於這些觀察結果，他們進一步探索了是否可以在治療上利用腫瘤細胞對這一途徑的依賴。為了降低全身維生素 B5 水平，他們對小鼠進行了無維生素 B5 餵食或對照飲食。結果發現，在控制飲食條件下，WMhigh克隆體有強烈的增殖增加趨勢，但在缺乏維生素 B5 的情況下，這種生長優勢就喪失了。此外，維生素 B5 缺乏也與細胞死亡的增加相一致。因此，腫瘤的高效生長需要充足的維生素 B5 供應。
為了了解維生素 B5 剝奪對腫瘤代謝的影響，他們通過 LC-MS 分析無維生素 B5 飲食或對照組飲食小鼠的腫瘤組織。正如預期的那樣，無維生素 B5 飲食小鼠的 CoA 數量顯著減少。此外，大多數糖酵解中間體、三羧酸循環中間體、必需和非必需氨基酸和核苷酸都減少了。
圖片來源：Nature Metabolism
在機制層面，他們發現複合維生素轉運體 SLC5A6 蛋白表達和 MYC 之間有很強的相關性。在一個 MYC 誘導的細胞繫系統中，他們也證實了 SLC5A6 的表達是由 MYC 自主調控的。最後，對公開的 ChIP-seq 資料的分析顯示，MYC 與 Slc5a6 啟動子區域的 e-box 結合，證實了 MYC 對 Slc5a6 的直接轉錄調控。總之，這些資料證明MYC 可以直接轉錄激活 SLC5A6。
圖片來源：Nature Metabolism
結語
綜上所述，該研究表明，MYC 通過直接上調轉運蛋白 SLC5A6 來增加腫瘤內維生素 B5 水平，這是支撐 MYC 增殖和生物合成程序所必需的。通過飲食限制泛酸會引起許多 MYC 介導的代謝改變的逆轉，並導致腫瘤生長受阻。
儘管該研究將維生素 B5 與腫瘤生長聯繫起來，但不能僅僅限制癌症患者的維生素 B5 攝入量，因為維生素對於免疫系統抵抗腫瘤也十分重要。研究人員現在正在制定策略，在不影響免疫系統的情況下選擇性地削弱腫瘤，以增加獲得良好臨床結果的可能性。
本研究第一作者Peter Kreuzaler說：「以前的腫瘤代謝研究並不能提供太多關於腫瘤區域如何不同地使用維生素等分子的見解。通過在這項研究中使用一種專門的高解析度成像技術，我們可以看到不同腫瘤的新陳代謝是如何不同的，並且只要拿走一種維生素就可以阻止一系列癌症驅動事件的發生。在未來，我們將進一步觀察在強大的免疫系統中去除維生素 B5 的影響。」
本研究通訊作者Mariia Yuneva教授說到：「許多人患有癌症，但治療效果不佳，或者現有的治療方法毒性太大。腫瘤的代謝依賴性已被探索作為癌症小鼠模型的潛在治療靶點，並顯示出希望。然而，人類的腫瘤要複雜得多，了解不同基因譜的作用，以及腫瘤與人體自身細胞之間的相互作用，對於設計針對人類腫瘤代謝的有效療法非常重要。正常的身體功能需要維生素 B5，所以試圖限制維生素 B5 進入腫瘤可能會產生毒副作用。但測試改變維生素水平如何對治療產生影響，或者我們如何利用維生素 B5 代謝來表徵一個人患的是什麼類型的腫瘤，以及它是否會對不同的治療產生反應，這將是很有趣的。」
題圖來源：站酷海洛
參考文獻：
1. Peter Kreuzaler, et al. Vitamin B5 supports MYC oncogenic metabolism and tumor progression in breast cancer. Nature Metabolism, 2023.
2. McGuirk, S., Audet-Delage, Y. & St-Pierre, J. Metabolic fitness and plasticity in cancer progression. Trends Cancer Res. 6, 49–61 (2020).
3. Dibble, C. C. et al. NPI3K drives the de novo synthesis of coenzyme A from vitamin B5. Nature 608, 192–198 (2022).
