胰腺癌是一種惡性程度極高的消化系統(tǒng)腫瘤，確診后患者的五年生存率僅為10%左右。代謝的改變是腫瘤細胞的重要特征之一。腫瘤細胞通過代謝重編程產(chǎn)生其快速增殖所需的物質(zhì)、能量以及氧化還原力。癌基因Kras突變的胰腺導(dǎo)管腺癌（PDAC，胰腺癌中最常見的病理類型）的增殖高度依賴谷氨酰胺（Gln）分解代謝途徑。在該途徑中，Gln首先被轉(zhuǎn)化成天冬氨酸（Asp），隨后在谷草轉(zhuǎn)氨酶（GOT1）催化下形成草酰乙酸（OAA），OAA經(jīng)蘋果酸脫氫酶（MDH1）催化進一步被轉(zhuǎn)化為蘋果酸（Malate），再經(jīng)蘋果酸酶（ME1）氧化最終形成丙酮酸（Pyruvate）和NADPH；后者能提供還原當(dāng)量，維持細胞內(nèi)氧化還原平衡。該途徑對于PDAC細胞的增殖和存活至關(guān)重要，因此深入了解這一途徑的調(diào)控機制有助于為PDAC的臨床治療提供新的思路和靶點。

O-GlcNAc糖基化修飾是通過N-乙酰葡糖胺以β-糖苷鍵形式共價連接到蛋白質(zhì)的絲氨酸（Ser）或蘇氨酸（Thr）羥基上的一種翻譯后修飾。該修飾是一種高度動態(tài)的修飾方式，會隨著細胞內(nèi)的營養(yǎng)狀態(tài)和細胞外的刺激發(fā)生變化。該修飾廣泛發(fā)生在細胞內(nèi)的蛋白上，并調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄、信號傳導(dǎo)、蛋白合成和代謝重編程等重要的生物學(xué)過程。之前的研究表明O-GlcNAc糖基化修飾水平在PDAC中異常增高。然而O-GlcNAc糖基化調(diào)控PDAC發(fā)生發(fā)展的分子機制尚不清楚。

2022年7月25日，浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院易文教授課題組和周如鴻教授課題組合作在 Nature Chemical Biology 雜期刊在線發(fā)表了題為：O-GlcNAcylation promotes pancreatic tumor growth by regulating malate dehydrogenase 1 的研究論文。

該研究通過糖化學(xué)生物學(xué)、腫瘤生物學(xué)和計算生物學(xué)多學(xué)科交叉手段，揭示了O-GlcNAc糖基化調(diào)控谷氨酰胺代謝，促進PDAC生長的分子機制。

研究首先發(fā)現(xiàn)介導(dǎo)O-GlcNAc修飾的糖基轉(zhuǎn)移酶OGT的表達在胰腺癌病人組織中顯著升高；敲低OGT顯著抑制了PDAC細胞的Gln代謝，抑制了PDAC細胞增殖。

進一步研究發(fā)現(xiàn)O-GlcNAc修飾對Gln代謝途徑中的關(guān)鍵酶MDH1的功能有顯著影響。通過高分辨質(zhì)譜結(jié)合點突變的方法鑒定出Ser189位為MDH1的糖基化修飾位點。體外的酶活實驗表明Ser189位上的糖基化可以增強其酶活性。靶向代謝組學(xué)實驗證實了MDH1糖基化促進Gln代謝和NADPH的產(chǎn)生。

此外，MDH1參與細胞內(nèi)協(xié)調(diào)糖酵解和線粒體呼吸作用的蘋果酸-天冬氨酸穿梭途徑；MDH1糖基化會有利于NADH的再生，從而促進的線粒體的呼吸。小鼠體內(nèi)成瘤實驗和臨床樣本分析也進一步驗證了MDH1 Ser189位的糖基化修飾對PDAC生長的促進作用。

圖1：MDH1 Ser189位的糖基化修飾促進了其酶活以及PDAC生長

為了進一步了解O-GlcNAc糖基化增強MDH1酶活性的分子機制，作者利用全原子分子動力學(xué)模擬對MDH1單體-底物（NADH，MAK）復(fù)合物在Ser189糖基化和非糖基化狀態(tài)下的動力學(xué)行為進行了探究。結(jié)果表明底物在糖基化情況下更加穩(wěn)定，結(jié)合概率更高。這得益于Ser189 O-GlcNAc對底物結(jié)合口袋的保護，促使MDH1與底物，底物與底物之間相互作用增強；MDH1和底物之間增強的相互作用主要來自Ser189 O-GlcNAc與蛋白殘基Gln228、Gln229和Arg98的接觸貢獻。相應(yīng)的三聯(lián)體突變（Q228A/Q229A/R98A）活性分析實驗也證實了這一觀察結(jié)果。

此外，與單體不同，MDH1二聚體在非糖基化和糖基化狀態(tài)下的底物結(jié)合并沒有表現(xiàn)出顯著差異。這可能是由于參與底物結(jié)合口袋的螺旋區(qū)域受到了二聚體界面相互作用的約束，不似單體中那樣靈活?？偟膩碚f，Ser189 O-GlcNAc可以充當(dāng)“分子膠”的作用，通過穩(wěn)定MDH1單體上的底物結(jié)合口袋，增強蛋白與底物，底物與底物之間的相互作用，來提高底物的結(jié)合及穩(wěn)定性，最終促進MDH1的酶活性。

圖2：MDH1 Ser189位上的O-GlcNAc糖基化促進其酶活性的分子機理

綜上所述，該研究揭示了OGT-MDH1軸在PDAC發(fā)生和發(fā)展過程中的重要功能。鑒于MDH1在PDAC中高表達，且MDH1糖基化水平與PDAC進程呈正相關(guān)，該研究成果提示干預(yù)MDH1糖基化可以作為靶向PDAC的潛在策略。

 

圖3：MDH1糖基化調(diào)控PDAC生長的工作模式圖

教育部“生命系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與保護”重點實驗室、浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、浙江大學(xué)上海高等研究院、浙江大學(xué)癌癥研究院周如鴻教授和易文教授為論文的共同通訊作者。浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后朱強和周紅為論文的共同第一作者，王勇研究員也參與了這項工作。 

論文鏈接： 

https://www.nature.com/articles/s41589-022-01085-5