2022年4月4日，廈門(mén)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李勤喜課教授課題組在Molecular Cell雜志在線發(fā)表了題為Filamentous GLS1 promotes ROS-induced apoptosis upon glutamine deprivation via insufficient asparagine synthesis的研究論文。該研究首次報(bào)道了谷氨酰胺缺乏能夠誘導(dǎo)谷氨酰胺酶（GLS1）形成桿狀多聚體進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞凋亡的機(jī)理。

谷氨酰胺是非常重要的能源物質(zhì)，也是生物合成中碳源和氮源的重要提供者，多種腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)和增殖高度依賴于谷氨酰胺代謝。GLS1是谷氨酰胺分解的第一個(gè)酶和限速酶，能催化谷氨酰胺水解為一分子谷氨酸和一分子氨離子。大量研究表明GLS1在小細(xì)胞肺癌、肝癌、結(jié)直腸癌等多種腫瘤中高表達(dá)。目前，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了若干種GLS1的特異性抑制劑用于科學(xué)研究和臨床前期研究，其中CB839被證明對(duì)非小細(xì)胞肺癌、三陰性乳腺癌的增殖有一定的抑制效果，但其并不能促進(jìn)細(xì)胞死亡。且大量臨床實(shí)驗(yàn)表明CB839的療效僅限于控制腫瘤的發(fā)展，而非導(dǎo)致其消退。有研究表明谷氨酰胺饑餓會(huì)引起細(xì)胞凋亡，且在實(shí)體瘤中存在谷氨酰胺饑餓現(xiàn)象，但這種凋亡與GLS1有無(wú)關(guān)系？其具體的分子機(jī)理是什么？目前尚不甚清楚。因此，鑒定在谷氨酰胺饑餓狀態(tài)下促發(fā)細(xì)胞凋亡的起始信號(hào)，闡明信號(hào)傳遞的具體分子機(jī)理有可能為開(kāi)發(fā)新的抗腫瘤策略提供思路。

李勤喜課題組研究人員發(fā)現(xiàn)在多個(gè)細(xì)胞系中敲除GLS1能顯著抑制由谷氨酰胺饑餓誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡。有意思地是，通過(guò)免疫熒光染色，他們發(fā)現(xiàn)GLS1在谷氨酰胺饑餓狀態(tài)下，聚集成微米級(jí)別的桿狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)在細(xì)胞內(nèi)表達(dá)無(wú)法形成桿狀結(jié)構(gòu)的GLS1 K507E突變體時(shí)，饑餓誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡明顯被抑制。而過(guò)表達(dá)自發(fā)形成桿狀結(jié)構(gòu)的GLS1 K320A突變體則加速了谷氨酰胺饑餓誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡（圖1）。

圖1.谷氨酰胺饑餓誘導(dǎo)GLS1形成桿狀復(fù)合物并促進(jìn)細(xì)胞凋亡

進(jìn)一步研究表明谷氨酸是細(xì)胞內(nèi)GLS1形成桿狀結(jié)構(gòu)的負(fù)調(diào)控因子。細(xì)胞處于谷氨酰胺饑餓狀態(tài)時(shí)，谷氨酰胺衍生出來(lái)的谷氨酸濃度下降。當(dāng)谷氨酸濃度低于一定閾值時(shí)，失去了對(duì)GLS1的抑制作用，此時(shí)GLS1由二聚體形式聚合成微米級(jí)別的桿狀結(jié)構(gòu)。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)和體外酶活實(shí)驗(yàn)表明，桿狀結(jié)構(gòu)的形成極大地促進(jìn)了GLS1與其底物谷氨酰胺的親和力和催化活性。機(jī)理研究表明，高度活化的GLS1桿狀多聚物能夠進(jìn)一步將細(xì)胞內(nèi)本已稀少的谷氨酰胺轉(zhuǎn)化為谷氨酸，造成谷氨酰胺的耗竭。在此情況下，依賴于谷氨酰胺的天冬酰胺的合成亦被抑制，進(jìn)而引起線粒體基因組編碼的蛋白合成受限、線粒體呼吸鏈的復(fù)合體被破壞，最終導(dǎo)致ROS的大量累積和細(xì)胞凋亡（圖2）。

圖2. GLS1形成桿狀結(jié)構(gòu)阻斷天冬酰胺的合成并誘導(dǎo)ROS依賴的細(xì)胞凋亡

在臨床胃癌和胰腺癌的樣本的核心位置，大量GLS1以桿狀結(jié)構(gòu)的形式存在。更重要的是，在腫瘤細(xì)胞中穩(wěn)定表達(dá)能自發(fā)形成桿狀結(jié)構(gòu)的突變體（GLS1 K320、GLS1 S482C）顯著抑制了癌細(xì)胞的增殖和體內(nèi)移植瘤的生長(zhǎng)（圖3），表明操縱GLS1桿狀多聚體的形成可能是一種新興的癌癥治療策略。

圖3.操縱GLS1桿狀結(jié)構(gòu)的形成能抑制腫瘤的進(jìn)程

綜上，該研究揭示了GLS1通過(guò)感應(yīng)其產(chǎn)物濃度進(jìn)行結(jié)構(gòu)重塑，進(jìn)而啟動(dòng)細(xì)胞凋亡的分子機(jī)理（圖4），同時(shí)為谷氨酰胺依賴性腫瘤的治療提供了新的視角。

圖4. GLS1聚合成桿狀結(jié)構(gòu)促進(jìn)谷氨酰胺饑餓誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡的機(jī)理

李勤喜教授為論文通訊作者，江彬助理教授、張佳助理教授和博士研究生趙國(guó)輝為論文的共同第一作者。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金和廈門(mén)大學(xué)細(xì)胞應(yīng)激生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放研究基金等的支持。該研究得到了我院張宸崧教授、韓愛(ài)東教授和化學(xué)化工學(xué)院林東海教授的大力支持。廈門(mén)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)儀器共享平臺(tái)的章賜雄博士、吳彩明博士、姚路明博士和劉慶鋒博士為該項(xiàng)目的研究提供了重要的技術(shù)支持。

原文鏈接：https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(22)00254-4

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（圖/文李勤喜課題組）