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Nature子刊 | 中山大学揭秘HKDC1作为葡萄糖感应及代谢适应中的关键角色，为癌症治疗提供新靶点
Highlights
1. HKDC1在癌细胞中充当葡萄糖感应器，能够通过改变其稳定性来响应肿瘤微环境中的葡萄糖变化
2. HKDC1通过与PHB2的相互作用，调节SP1的活性，进而影响癌细胞的代谢适应和干性相关基因的表达
3. 遗传敲除或药物干预HKDC1的活性可以抑制癌细胞的增殖和肿瘤的生长
近日，“Cell Death & Differentiation”（IF=13.7）上发表了一篇题为“HKDC1 functions as a glucose sensor and promotes metabolic adaptation and cancer growth via interaction with PHB2”的文章。这篇文章揭示了HKDC1作为一种新的葡萄糖感应器，在癌症细胞的代谢适应和肿瘤生长中发挥关键作用。
研究背景介绍
己糖激酶结构域1（HKDC1）是新发现的一种己糖激酶家族成员，与经典的己糖激酶HK1-4不同，HKDC1在哺乳动物中的作用尚不完全清楚。研究表明，HKDC1可能在调节全身葡萄糖利用和癌症进展中发挥作用。
葡萄糖感应是指细胞感知环境中葡萄糖浓度变化的能力，并据此调整代谢途径以适应营养状态的变化。
阻抑素2（PHB2）是一种多功能蛋白质，属于prohibitin家族，该家族在细胞生长、分化和肿瘤发生中起重要作用。PHB2在细胞核内外都有分布，其亚细胞定位的变化与多种生物学功能相关。
研究思路分析
研究技术路线图
01HKDC1的生物学功能与葡萄糖感应
①在包含肺癌和正常组织的组织微阵列比较了HKDC1的表达，发现HKDC1在肺癌组织中的表达水平明显高于正常组织。公共数据库的数据分析也显示，非小细胞肺癌（NSCLC）组织中HKDC1的表达显著上调，且HKDC1的高表达与多种癌症患者的整体生存不良显著相关。
②研究发现，在葡萄糖饥饿条件下，多种肺癌细胞系中HKDC1蛋白显著减少，而补充葡萄糖后HKDC1蛋白重新出现。进一步研究发现，葡萄糖可能通过阻止泛素-蛋白酶体途径的降解来稳定HKDC1蛋白，而葡萄糖的缺失则导致其快速降解。此外，2-脱氧葡萄糖能够稳定HKDC1蛋白，表明葡萄糖转化为葡萄糖-6-磷酸的过程并非稳定作用的必要条件。
③基于HKDC1蛋白的分子模型构建了一系列HKDC1突变体，将其转染到A549细胞中，测试其对葡萄糖缺失的反应，HKDC1Δ6突变体（删除了氨基酸751-917），在葡萄糖缺失的情况下其蛋白水平保持稳定。表明HKDC1 C端的氨基酸751-917区域负责与葡萄糖相互作用以调节蛋白稳定性。进一步分析该区域内或附近可能影响与葡萄糖相互作用的氨基酸，对其中四个氨基酸进行突变并转染到A549细胞中，结果表明Ser896可能是影响HKDC1蛋白在葡萄糖剥夺时稳定性的关键氨基酸残基。
02HKDC1在代谢调控中的作用
①研究发现HKDC1蛋白在葡萄糖饥饿条件下通过蛋白酶体途径降解，这种降解可以被蛋白酶体抑制剂MG132阻止。实验表明，葡萄糖饥饿促进了HKDC1的泛素化，而MG132处理增加了泛素化信号。通对HKDC1多肽段（aa601-917）的16个赖氨酸残基进行突变，发现K620R突变可抵抗葡萄糖饥饿诱导的HKDC1降解，确定K620是关键氨基酸。S896A突变使HKDC1蛋白抵抗葡萄糖消耗，且该突变可影响HKDC1的泛素化，可能是通过改变蛋白结构阻碍了泛素化机制对K620的作用。
②通过基因敲除和shRNA抑制HKDC1表达，发现HKDC1的缺失显著降低了葡萄糖摄取和乳酸产生，而对谷氨酰胺摄取或谷氨酸释放没有显著影响。HKDC1敲除还导致基础氧消耗率（OCR）和最大呼吸能力降低，以及细胞增殖率下降。重新表达HKDC1可以恢复细胞生长率。
③S896A突变体转染HKDC1敲除细胞不能增强葡萄糖利用，表明该突变可能导致构象变化并丧失结合葡萄糖的能力。在脂肪酸和低葡萄糖存在下，HKDC1敲除会增加氧消耗率，可能是线粒体脂肪酸氧化的抑制因子，且HKDC1敲除细胞对CPT1抑制剂更敏感，表明细胞代谢向脂肪酸依赖状态转变。
03HKDC1对癌细胞增殖和肿瘤生长的影响
①使用体外和体内模型来测试HKDC1对癌细胞增殖和肿瘤形成的影响。通过sgRNA介导的HKDC1敲除显著抑制了A549细胞形成肿瘤球体的能力。重新表达HKDC1几乎完全恢复了肿瘤球体的形成，表明HKDC1可能在癌细胞增殖和自我更新中发挥潜在作用。
②此外，HKDC1的敲除或沉默导致多种干细胞标志物显著下降，包括ABCG2、Oct4、Sox2、CD13和CD133，这些变化都可以通过HKDC1的过表达来恢复。HKDC1敲除还显著抑制了细胞迁移和侵袭能力，以及急性HKDC1敲减显著降低了癌细胞的侧群细胞比例。体内实验中，HKDC1敲除显著降低了肿瘤形成的发生率。在接种较低细胞密度的情况下，HKDC1敲除细胞的肿瘤形成率显著低于对照组。在形成的肿瘤中，HKDC1敲除也显著减少了肿瘤生长。
③免疫共沉淀和串联质谱分析发现，PHB2是与HKDC1结合的关键蛋白。在葡萄糖缺失或HKDC1敲除的情况下，PHB2会被释放进入细胞核。PHB2的敲减会导致干细胞标志物表达上调，表明PHB2在调控癌细胞干细胞特性中起抑制作用。进一步研究发现，PHB2可能通过与转录因子Sp1结合来抑制干细胞分子的表达。在葡萄糖存在时，HKDC1稳定并隔离PHB2，允许干细胞分子表达；而在葡萄糖缺失时，HKDC1降解释放PHB2，后者与Sp1结合抑制干细胞分子的表达，从而抑制肿瘤生长。
图1. HKDC1蛋白水平通过751-917氨基酸内的调控域对葡萄糖作出响应
图2. Ser896对葡萄糖调节HKDC1蛋白稳定性至关重要
图3. 葡萄糖通过影响K620的泛素化调节HKDC1蛋白稳定性
图4. HKDC1促进葡萄糖饥饿下的脂肪酸利用和细胞存活
图5. HKDC1增强癌细胞干性和体内肿瘤生长
图6. HKDC1与PHB2物理相互作用通过Sp1调节基因表达
图7. 工作模型：HKDC1作为葡萄糖感应器并根据葡萄糖的可用性改变其蛋白稳定性
结论与讨论
本研究揭示了HKDC1作为葡萄糖感应器在肺癌中的作用，其稳定性受葡萄糖水平调节，并通过与PHB2的相互作用影响癌细胞的代谢适应和增殖。HKDC1的降解促进了线粒体脂肪酸氧化，而其过表达则增强了糖酵解。此外，HKDC1的敲除抑制了肿瘤生长，表明HKDC1是一个潜在的癌症治疗靶点。
关于HKDC1在不同癌症类型中的作用及其在临床治疗中的应用仍需进一步研究。未来的研究应探索HKDC1在癌症发展中的详细机制，以及针对HKDC1的疗法在临床试验中的有效性和安全性，以推动新型癌症治疗策略的发展。