首都医科大最新Nature子刊：缺氧诱导PGK1巴豆酰化减少，协调糖酵解与TCA循环，推动肿瘤形成

原创1882阅读 2025-03-20 17:32:51

　　Highlights

1.在缺氧条件下，PGK1的巴豆酰化水平下降，这与肿瘤细胞的糖酵解增强和线粒体丙酮酸代谢抑制相关，进而推动肿瘤发展。

2. ECHS1的上调导致PGK1巴豆酰化水平的降低

近日，“Nature Communications”（IF=14.7）上发表了一篇题为“Hypoxia-induced downregulation of PGK1 crotonylation promotes tumorigenesis by coordinating glycolysis and the TCA cycle”的文章。这篇文章通过定量蛋白质组学分析，研究了在常氧和缺氧条件下，蛋白质翻译后修饰尤其是赖氨酸巴豆酰化的全局变化。

研究背景介绍

　　巴豆酰化（Crotonylation）是一种蛋白质翻译后修饰，涉及将巴豆酰基团添加到蛋白质的赖氨酸残基上。这种修饰在细胞代谢和基因表达调控中起作用，且在缺氧条件下对PGK1的功能有重要影响。

　　丙酮酸脱氢酶激酶1（PDHK1）是一种激酶，能够磷酸化并抑制丙酮酸脱氢酶（PDH），从而控制丙酮酸转化为乙酰辅酶A的过程，是调节线粒体代谢的关键因素。

　　磷酸甘油酸激酶1（PGK1）是一种在糖酵解过程中起关键作用的酶，它催化1,3-二磷酸甘油酸和ADP转化为3-磷酸甘油酸和ATP，是糖酵解过程中产生ATP的第一步。

研究思路分析

　　研究技术路线图

01PGK1巴豆酰化水平的全局分析与特定位点的响应

①检测MDA-MB231细胞中赖氨酸巴豆酰化（Kcr）的蛋白水平。发现细胞葡萄糖消耗和乳酸产生增加。低氧导致分布在细胞质和细胞核中的蛋白上Kcr位点发生改变。这些改变可能与单糖分解代谢过程、碳水化合物分解代谢过程和线粒体膜通透性有关。

②特别地，PGK1蛋白在K131、K156和K220位点的Kcr修饰在低氧条件下显著下调。此外，补充crotonate可增加PGK1 Kcr水平，但在低氧条件下，这种增加效果被消除。这些结果表明，PGK1 Kcr可被低氧下调。

③将MDA-MB231细胞中提取的肽段与合成标准的Kcr肽段进行比对，确认了PGK1在K131、K156和K220位点的巴豆酰化。LC-MS/MS分析证实了这些位点的下调。免疫沉淀实验显示PGK1上有巴豆酰化，但未检测到乳酸化和乙酰化。

④生成PGK1的单点、双点和三点突变体，这些突变体减少了PGK1 Kcr的水平，且三突变体几乎完全消除了Kcr。此外，还针对K131cr和K156cr开发特异性抗体，并通过点印迹实验验证了其特异性。最后，使用这些抗体证实了低氧条件下PGK1 K131cr水平的下降，以及crotonate处理后PGK1 K131cr水平的增加，表明PGK1的这些Kcr位点对低氧敏感。

02PGK1巴豆酰化调控机制

①通过免疫沉淀-质谱(IP-MS)分析发现PGK1与ECHS1相互作用。ECHS1是一种水合酶，能降低细胞内的巴豆酰辅酶A水平。低氧条件下，PGK1与ECHS1的相互作用增强，ECHS1表达量增加，且ECHS1转录上调，这一过程受HIF-1α调控。

②PGK1主要在细胞质中发生巴豆酰化，低氧条件下，细胞质中的PGK1 Kcr水平降低，并伴随PGK1向线粒体的转位，线粒体中的PGK1 Kcr水平显著降低。

③研究发现，p300/CBP相关因子（PCAF）与PGK1相互作用，促进了PGK1 Kcr。此外，PCAF与PGK1的相互作用不受缺氧影响，且PCAF在细胞质和线粒体中均有分布，为PGK1-PCAF相互作用提供了空间基础。表明PCAF是PGK1 Kcr的巴豆酰转移酶，但其作用不受缺氧诱导的PGK1 Kcr下调影响。

03PGK1巴豆酰化对肿瘤代谢和生长的影响

①实验表明，PGK1的巴豆酰化不影响其在缺氧条件下的线粒体定位。废除PGK1的巴豆酰化促进了其与PDHK1的相互作用，并影响了PDHK1和PDH的磷酸化状态。此外，废除PGK1的巴豆酰化会降低线粒体丙酮酸代谢，促进乳酸产生，而促进PGK1的巴豆酰化则相反。

②构建在PGK1基因敲除的MDA-MB231细胞中有无重组表达rPGK1野生型(WT)或三重突变型(3KR)的细胞模型，发现rPGK1 3KR比rPGK1 WT更能恢复因PGK1敲除导致的克隆形成减少。

③Transwell迁移实验发现，PGK1敲除抑制了肿瘤迁移，而rPGK1 WT或3KR的表达补偿了这一效应，且rPGK1 3KR在促进肿瘤细胞迁移方面更有效。体内实验中，PGK1敲除显著损害肿瘤生长，而rPGK1 WT或3KR的表达恢复了肿瘤生长，且rPGK1 3KR的效果更明显。通过在rPGK1 WT和3KR细胞中耗竭PDHK1，发现rPGK1 3KR促进细胞生长的效果被消除。表明PGK1巴豆酰化的下调促进了肿瘤发生。

04PGK1巴豆酰化与临床预后的相关性

①在自发乳腺癌小鼠模型中，与正常小鼠乳腺组织相比，乳腺癌组织中的PGK1 K131cr表达降低，且晚期乳腺癌的表达水平低于早期。此外，PGK1、ECHS1、磷酸化PDHK1、PDHK1和HIF-1α的水平在乳腺癌进展过程中逐渐增加，表明线粒体代谢重编程在乳腺癌进展中的逐渐依赖性。

②在乳腺癌患者样本中，与相邻正常乳腺组织相比，肿瘤组织中的PGK1 K131cr表达显著降低，而ECHS1和PGK1的表达水平升高。低PGK1 K131cr水平预示乳腺癌患者预后不良。此外，PGK1 Kcr的降低是由于缺氧时ECHS1的转录上调，导致细胞内巴豆酰辅酶A减少，进而影响PGK1 Kcr水平。