胰腺导管腺癌(pancreatic ductal adenocarcinoma, PDA)细胞表现出广泛的代谢重编程以支持生存和生长。之前的研究已表明,PDA利用苹果酸-天冬氨酸穿梭(malate-aspartate shuttle)产生还原的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH),即生物合成和氧化还原平衡的主要货币。这种非经典途径的活性是由突变的KRAS通过控制细胞膜天门冬氨酸氨基转移酶(GOT1)的表达来协调的。由于GOT1在非恶性细胞中是可有可无的,但在PDA中对氧化还原平衡和癌细胞增殖是必不可少的,因此GOT1及其相邻的代谢网络可能是有吸引力的治疗靶标。

苹果酸-天冬氨酸穿梭和GOT1的典型功能是NADH从细胞膜转移到线粒体以促进氧化磷酸化。在PDA中,科学家们已发现线粒体天冬氨酸氨基转氨酶(GOT2)是α-酮戊二酸(αKG)的主要无源性来源,并产生天冬氨酸。然后,天门冬氨酸被转移到细胞质中,由GOT1发生转氨反应而产生草酰乙酸。草酰乙酸被细胞质的苹果酸脱氢酶1(MDH1)还原成苹果酸,然后被苹果酸酶1(ME1)氧化,生成NADPH,NADPH被用来支持PDA中的氧化还原平衡和癌细胞增殖。

因此,为了靶向苹果酸-天冬氨酸穿梭并进一步了解其生物学作用,来自美国密歇根大学等研究机构的研究人员在一项新的研究中着重关注GOT1。他们分析了GOT1在一系列PDA细胞系和样本中的抑制情况。他们发现,对GOT1敲降的敏感性在这一系列细胞系中是不同的,在非转化的人类细胞系中是可有可无的,而且GOT1的抑制在肿瘤模型中会阻碍生长。在对GOT1有反应的情况下,GOT1抑制阻止了细胞周期的进展,导致了细胞停滞。相关研究结果于2021年8月11日发表在Nature Communications期刊上,论文标题为“GOT1 inhibition promotes pancreatic cancer cell death by ferroptosis”。

这些作者随后试图确定GOT1敲降后的代谢依赖性,这可能被用来选择性地杀死PDA。对GOT1敲降细胞的靶向代谢抑制剂文库的研究发现,外源性胱氨酸、谷胱甘肽和脂质抗氧化机制对长期GOT1抑制后的生存能力至关重要。GOT1敲降与胱氨酸输入或脂质抗氧化机制的抑制剂相结合,可导致铁死亡(ferroptosis):一种氧化性、非凋亡性和铁依赖性的细胞死亡形式。他们随后确定,GOT1敲降损害了线粒体的氧化磷酸化,从而促进了分解代谢状态。因此,这些GOT1敲降细胞增加了不稳定的铁池(iron pool),从而增加了它们对铁死亡的敏感性。

PDA的细胞增殖和肿瘤生长需要GOT1。图片来自Nature Communications, 2021, doi:10.1038/s41467-021-24859-2

综上所述,从机制上讲,这些作者GOT1抑制阻止了线粒体代谢,促进了分解代谢的状态。这通过自噬增强了不稳定铁的可用性,从而触发了铁死亡。这项研究确定了GOT1、铁调节和铁死亡之间的生化联系。