Как заморить голодом раковую клетку, воздействуя на метаболизм глутамина

Среди всех аминокислот в плазме крови человека больше всего глутамина. Он играет ключевую роль в метаболизме углерода и азота, выработке энергии и окислительно-восстановительных процессах. Глутамин может синтезироваться de novo с помощью глутаминсинтетазы (GLUL). Однако культивируемые раковые клетки часто нуждаются в поступлении глутамина извне для своего выживания и (или) пролиферации, поэтому глутамин иногда считается условно незаменимой аминокислотой. Глутамин не только входит в состав белков, но и является донором азота при синтезе нуклеотидов, никотинамидадениндинуклеотида, глюкозамина и других аминокислот, а его углеродный скелет служит анаплеротическим субстратом для цикла трикарбоновых кислот. Митохондриальные глутаминазы (GLS1 и GLS2), катализирующие образование глутамата из глутамина, оверэкспрессированы в опухолевых клетках, что делает их потенциальными мишенями терапии. Однако из-за высокой метаболической пластичности опухоли ингибиторы GLS показали ограниченную эффективность в клинических испытаниях.

В новой работе исследователи из США показали, что клетки рака молочной железы (РМЖ), которые, по-видимому, зависят от глутамина и его катаболизма через GLS, в конечном итоге могут адаптироваться к недостатку глутамина. Эта устойчивость зависит от de novo синтеза серина (SSP) и активности фермента АМРК.

Авторы показали, что при ограничении глутамина GLUL необходим, но недостаточен для роста клеток РМЖ. Они также изучили чувствительность нескольких клеточных линий к ингибитору GLS — CB-839. Его эффективность ранее оценивали в нескольких клинических испытаниях. Оказалось, что все клеточные линии РМЖ, не зависящие от глутамина, не были чувствительны к CB-839, тогда как большинство клеток, зависимых от глутамина, были чувствительны к CB-839.

Хотя многие раковые клеточные линии зависят от экзогенного глутамина и его катаболизма через GLS для пролиферации в культуре, хроническое истощение глутамина характерно для микросреды опухоли in vivo. Поэтому ученые посмотрели, как отсутствие глутамина в среде влияет на рост клеток. При голодании клетки тройного негативного РМЖ сначала массово гибли, но часть клеток выжила и вошла в состояние, схожее с сенесценцией. Через некоторое время часть таких клеток вышла из этого состояния и снова начала пролиферировать, теперь не завися от глутамина. Также в отсутствие глутамина — источника углерода и (или) азота для синтеза аминокислот — часть аминокислот становится условно незаменимой. Однако с серином все было наоборот: родительские клетки были полностью зависимы от экзогенного серина, а дочерние клетки, выжившие после голодания, не нуждались в экзогенном серине.

Авторы провели РНК-секвенирование для сравнения клеток РМЖ до и после выращивания в условиях недостатка глутамина. Производные клетки экспрессировали GLUL, что усиливало эндогенную выработку глутамина, и D-3-фосфоглицератдегидрогеназу (PHGDH), первый и лимитирующий компонент SSP. Если клеточные линии изначально не зависели от глутамина и не были чувствительны к CB-839, то они были полностью самодостаточны и по серину и неизменно имели высокий уровень PHGDH, тогда как клеточные линии, наиболее чувствительные к CB-839, как правило, были чувствительны к недостатку серина и имели низкий уровень PHGDH. Таким образом, уровень PHGDH повышается в ходе адаптации клеток РМЖ к дефициту глутамина или терапии CB-839, что указывает на ключевую роль SSP в адаптации к недостатку глутамина. Ингибиторы PHGDH убивали раковые клетки, даже не зависящие от уровня глутамина. Одновременное таргетирование GLS и PHGDH имело синергетический эффект.

Еще один важный фермент SSP — PSAT1. Снижение его экспрессии с помощью РНК-интерференции также подавляло рост раковых клеток. PSAT1 катализирует реакцию SSP, в результате которой образуется α-кетоглутарат (α-KG). Дополнительные исследования показали, что именно α-KG, а не серин, позволяет клеткам расти при недостатке глутамина. PSAT1 обладает особыми кинетическими свойствами: K_m PSAT1 ниже, чем у других трансаминаз, что позволяет ему производить α-KG при низком уровне глутамата.

Исследователи предположили, что ферменты GCN2 и AMPK, которые реагируют на истощение аминокислот и энергетический стресс соответственно, участвуют в адаптации к недостатку глутамина. GCN2 фосфорилирует eIF2α, снижая общий уровень синтеза белка, но при этом позволяя транслировать определенные мРНК, включая ATF4. В свою очередь, ATF4 является важным регулятором гомеостаза аминокислот, стимулируя экспрессию генов, ответственных за поглощение аминокислот и биосинтез ферментов, таких как PHGDH. AMPK быстро активируется при падении уровня внутриклеточного АТФ и инициирует метаболическую программу, которая отдает предпочтение выработке АТФ вместо его потребления. Как и ожидалось, 48-часовое голодание по глутамину активировало GCN2 и повышало уровень ATF4 в клетках РМЖ. Однако при этом уровень PHGDH повышался незначительно. Ингибирование GCN2 не оказало сильного влияния на уровень PHGDH, что говорит о том, что GCN2 не является основным драйвером повышения активности SSP при адаптации к голоданию по глутамину. А вот при активации AMPK уровень PHGDH повышался значительно, в том числе в клетках с приобретенной устойчивостью к ингибитору GLS. Дальнейшие опыты подтвердили, что АМРК необходима и достаточна для адаптивного повышения уровня PHGDH при недостатке глутамина.

Новое исследование обнаружило неожиданную связь между отсутствием зависимости от глутамина и зависимостью от SSP. α-KG, производимый при SSP, «закрывает дыру» в метаболизме, образовавшуюся при недостатке глутамина. Двойной удар по метаболизму глутамина и SSP может помочь справиться с адаптировавшимися к голоданию раковыми клетками.

При недостатке глюкозы протоковая аденокарцинома использует уридин