区室化支链氨基酸代谢通过UMP-波形蛋白轴调控结直肠癌转移的机制研究

《Cell Metabolism》：Compartmentalized branched-chain amino acid metabolism orchestrates colorectal cancer dissemination via an UMP-vimentin axis

本研究针对结直肠癌(CRC)转移机制不明的临床难题，揭示了区室化支链氨基酸(BCAA)代谢的关键作用。研究人员发现胞质BCAT1通过促进UMP合成稳定波形蛋白诱导上皮-间质转化(EMT)，而线粒体BCAT2发挥抑制作用。通过饮食限制BCAA或靶向UMP生物合成可有效抑制肿瘤转移，为晚期CRC提供了新的治疗策略。

　　

结直肠癌是全球范围内最常见的恶性肿瘤之一，患者五年生存率低于15%，其中肿瘤转移是导致治疗失败和死亡的主要原因。上皮-间质转化(EMT)作为肿瘤细胞获得迁移和侵袭能力的关键步骤，其与代谢重编程的相互作用机制尚未完全阐明。支链氨基酸(BCAA)包括亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸，作为必需氨基酸在动物性食物中含量丰富，常被用作膳食补充剂。既往研究表明BCAA代谢在不同肿瘤中具有组织特异性，但其在肿瘤转移过程中的功能仍不清楚。

在这项发表于《Cell Metabolism》的研究中，研究人员通过多组学分析发现，在EMT诱导的结直肠癌细胞中，BCAA代谢通路发生显著改变。特别值得注意的是，定位于不同细胞区室的BCAA转氨酶——胞质BCAT1和线粒体BCAT2，虽然催化相同的转氨反应，却对肿瘤转移表现出截然相反的调控作用。

研究团队运用了多种关键技术方法：通过TCGA数据库和多个临床队列(包括26例配对组织芯片和181例CRC组织微阵列)进行生物信息学分析；利用基因敲降、过表达和亚细胞定位改造技术在细胞系中验证功能；采用稳定同位素示踪技术(¹⁵N-BCAA和¹³C₅-Gln)追踪代谢流向；通过蛋白质-代谢物相互作用分析(包括亲和层析、SPR和CETSA)鉴定UMP-波形蛋白结合；建立原位移植瘤模型(腹膜和肝转移)进行体内功能验证。

全球代谢组学揭示EMT过程中BCAA代谢异常

研究人员用EMT诱导剂处理CRC细胞后，通过非靶向代谢组学发现缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸降解通路显著富集。RNA测序显示EMT诱导上调BCAT1表达，同时下调BCAT2、BCKDHA/B和IVD等BCAA代谢基因。机制上，TGF-β驱动的EMT通过转录因子JUNB和MECOM分别调控BCAT1和BCAT2的表达。

异常BCAA代谢与EMT特征相关

TCGA泛癌分析显示BCAA降解通路与EMT评分呈最强负相关。BCAT1与EMT标志物(CDH2、SNAI1、SNAI2、ZEB1)正相关，而BCAT2呈负相关。组织芯片检测发现BCAT1在正常结肠、原发CRC到肝转移灶中表达逐步升高。

BCAT1与BCAT2比值预测CRC患者不良预后

在TCGA队列(N=346)和内部验证队列(N=137)中，高BCAT1/BCAT2 mRNA比值均预示不良生存，且是多变量分析中的独立预后因素。免疫组化结果显示BCAT1阳性而BCAT2阴性的患者预后最差。

胞质和线粒体BCAT差异调控细胞迁移和EMT

功能实验表明，BCAT1敲降抑制细胞迁移、侵袭和EMT标志物表达，而BCAT2敲降则促进这些表型。亚细胞定位改造实验证明，将BCAT1靶向线粒体(BCAT1-Mito)或删除BCAT2的线粒体定位信号(BCAT2-Cyto)可逆转其功能，表明区室化是决定功能的关键因素。

胞质和线粒体BCAT差异调控CRC肿瘤体内扩散

动物实验证实，BCAT1敲降显著抑制LOVO和MC38细胞的腹膜和肝转移，而不影响原发肿瘤生长。相反，BCAT2敲降促进HCT116细胞的肝转移，BCAT2过表达则抑制转移表型。

胞质和线粒体BCAT差异调控核苷酸代谢

代谢组学发现BCAT1和BCAT2敲降对嘌呤和嘧啶代谢产生相反影响。BCAT1促进而BCAT2抑制NMPs(AMP、GMP、IMP、UMP)水平。同位素示踪显示BCAT1促进BCAA来源的氮流向谷氨酸(Glu)、天冬氨酸(Asp)和UMP，而BCAT2通过谷氨酸脱氢酶(GDH)将氮流向NH₃。

区室化BCAA代谢决定Asp和NMP生物合成

亚细胞分馏实验表明，BCAT1主要增加胞质Glu和Asp水平，而BCAT2影响线粒体代谢物平衡。BCAT2与GDH偶联，通过改变α-酮戊二酸(α-KG)/Glu比率影响天冬氨酸输出。

UMP作为BCAA下游代谢物促进CRC细胞迁移

功能挽救实验发现，UMP或尿苷可恢复BCAT1敲降细胞的迁移能力。UMPS(尿苷酸合酶)敲除阻断BCAT2敲降诱导的迁移表型，证实UMP生物合成的关键作用。

UMP与波形蛋白结合

通过亲和层析和质谱分析鉴定波形蛋白为UMP结合靶点。SPR显示UMP与波形蛋白结合亲和力K_d=2.44μM。CETSA证实UMP结合提高波形蛋白热稳定性(ΔT_m～11°C)。

UMP结合波形蛋白泛素化位点抑制其蛋白酶体降解

有限蛋白酶解和分子对接显示UMP结合波形蛋白K129和K139位点(泛素化位点)。UMP通过抑制泛素-蛋白酶体途径稳定波形蛋白，突变这些位点可减弱泛素化和UMP结合。

BCAA限制抑制CRC细胞体外迁移和体内扩散

饮食BCAA限制降低肿瘤UMP水平，抑制BCAT1高表达CRC细胞的迁移和侵袭。动物实验表明，低BCAA饮食即使在原发瘤建立后干预仍能抑制转移，UMP补充可逆转此效应。FDA批准的UMP生物合成抑制剂来氟米特也显示抗转移活性。

该研究首次揭示区室化BCAA代谢通过UMP-波形蛋白轴调控CRC转移的新机制。BCAT1/BCAT2比值作为EMT和预后的泛癌生物标志物，为肿瘤代谢研究提供了新视角。研究证明代谢酶亚细胞定位决定其功能特异性，挑战了传统认知。营养干预(BCAA限制)和药物重定位(来氟米特)策略为转移性CRC治疗带来新希望。这一BCAA-UMP-波形蛋白轴可能成为多种肿瘤转移的共性机制，为靶向代谢干预提供理论依据。