细胞转录组学和代谢组学整合策略表征突变影响谷氨酰胺合成酶酶活的关键代谢通路

作     者：凌婷 石京 冯婷泽 裴劭君 李思怿 朴海龙 

作者机构：中国科学院大连化学物理研究所中国科学院分离分析重点实验室 中国科学院大学 中国医科大学生命科学学院生物化学和分子生物学教研室 中国医科大学附属肿瘤医院胸外科肿瘤研究所辽宁省肿瘤医院暨研究所 

出 版 物：《色谱》 (Chinese Journal of Chromatography)

年 卷 期：2024年

核心收录：

学科分类：0710[理学-生物学] 071010[理学-生物化学与分子生物学] 081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

基　　金：国家重点研究与发展计划(2022YFA0806503) 国家自然科学基金(81972625) 大连市科技创新基金(2019J12SN52) 辽宁振兴人才计划(XLYC2002035) 

主　　题：谷氨酰胺合成酶突变 转录组学 代谢组学 肺癌 谷氨酰胺 

摘      要：谷氨酰胺合成酶（GS）是细胞中唯一可以从头合成谷氨酰胺的酶，在癌症代谢中扮演着重要角色。GS酶活缺陷突变往往导致严重的代谢疾病甚至是死亡。理解GS酶活降低对生理功能的影响可能为靶向治疗提供新的方向，同时对其内在机制的探索可以为治疗干预开辟新的途径。已报道的GS酶活缺陷突变包括R324C（第324位精氨酸突变为半胱氨酸）和R341C（第341位精氨酸突变为半胱氨酸）等，本研究新发现了GS的另一个酶活缺陷突变位点K241（第241位赖氨酸）。为了探究GS酶活缺陷突变带来的影响，本研究利用双组学技术对GS的酶活缺陷突变R324C和K241R（第241位赖氨酸突变为精氨酸）在肺癌细胞中的功能进行研究，通过对转录组和代谢组数据的整合揭示了GS酶活缺陷突变对一些重要生物过程的显著影响。GS的缺陷突变阻碍了细胞周期和多种氨基酸代谢途径。除了谷氨酰胺合成受到抑制，精氨酸-脯氨酸代谢、甘氨酸-丝氨酸-酪氨酸代谢以及天冬氨酸-谷氨酸-丙氨酸代谢在GS突变的细胞中表现出更强的活力，同时，氨酰-tRNA的生物合成途径也显著被激活。进一步的研究发现，GS酶活缺陷带来氨基酸代谢的改变源自谷氨酸的重新定向和相关代谢酶的表达变化，同时，氨酰-tRNA生物合成的激活源自谷氨酰胺在GS酶活缺陷细胞中带来的能量应激激活了特定蛋白的表达，如转录因子4(ATF4)。此外，细胞表型实验表明，GS酶活缺陷细胞的迁移能力低于野生型细胞。以上结果揭示了GS酶活缺陷突变体细胞中的代谢重编程现象，突出了癌细胞代谢的复杂性和适应性。