Ученые открыли метаболическую "ахиллесову пяту" рака поджелудочной железы

Недавнее исследование, опубликованное в журнале Nature, определило, что уридин-производная рибоза является топливом для протоковой аденокарциномы поджелудочной железы (ПДА) в условиях ограничения глюкозы.

Опухолевое микроокружение (ОМО) КПК характеризуется обильной инфильтрацией иммунными клетками, разрастанием стромальных фибробластов и отложением внеклеточного матрикса. Это приводит к повышению давления интерстициальной жидкости и коллапсу капилляров и артериол, что в совокупности способствует плохому насыщению кислородом, метаболическим нарушениям, гетерогенности на клеточном уровне и терапевтической резистентности. Клетки КПК в такой экстремальной ТМО адаптируются, увеличивая свои катаболические и утилизационные возможности.

Исследование и результаты

В данном исследовании ученые проверили, как метаболиты влияют на активность клеточных линий поджелудочной железы в условиях ограничения питательных веществ. Во-первых, они использовали платформу фенотипического скрининга двух незлокачественных клеточных линий поджелудочной железы и 19 клеточных линий PDA для изучения способности клеток метаболизировать более 175 питательных веществ в условиях ограничения питательных веществ.

Этот анализ выявил использование нескольких метаболитов в условиях лишения глюкозы на уровне, сопоставимом с положительным контролем. Большинство клеточных линий использовали уридин, аденозин и другие сахара. Далее команда оценила корреляцию между характером утилизации метаболитов и экспрессией соответствующих генов.

Экспрессия уридинфосфорилазы 1 (UPP1) коррелировала с метаболизмом уридина. Эта пара метаболит-ген была изучена дополнительно, поскольку уридин утилизируется всеми клетками PDA, а в контексте PDA этот вопрос не исследовался. Корреляция была подтверждена с помощью анализов мРНК и белков. Утилизация аденозина и инозина не коррелировала с экспрессией UPP1.

Далее, клеточные линии PDA были отсортированы на высоко-и низкоуридиновые метаболизаторы. UPP1 был ведущим геном в высокоуридиновых метаболизаторах. Эндоцитоз и несколько иммунных или воспалительных путей были повышены в высокоуридиновых метаболизаторах. Более того, в опухолях КПК с высоким содержанием UPP1 наблюдалась повышенная экспрессия генов гликолиза.

Клеточные линии и опухоли КПК с высоким уровнем UPP1 демонстрировали снижение регуляции метаболических путей, таких как метаболизм глутатиона, жирных кислот и аминокислот. Далее исследователи изучили активность эквимолярного уридина и глюкозы. Уридин и глюкоза одинаково стимулировали метаболизм в четырех клеточных линиях PDA.

Они также наблюдали увеличение клеточного восстановительного потенциала при добавлении уридина и предположили, что рибоза, полученная из уридина, может быть переработана для поддержания восстановительного потенциала. Поэтому в клетки, лишенные глюкозы, добавляли рибозу. Как и уридин, добавление рибозы стимулировало восстановительный потенциал.

Исследователи добавили уридин к клеточной линии с низким или высоким уровнем UPP1 в условиях дефицита глюкозы и провели метаболомный анализ на основе жидкостной хроматографии-масс-спектрометрии (ЖХ-МС). Они обнаружили более высокий уровень гликолитических промежуточных продуктов, секреции лактата, цикла трикарбоновых кислот (TCA), уридина и производных аминокислот в клеточных линиях с UPP1-высоким и UPP1-низким уровнем.

Далее команда проследила за метаболической судьбой изотопно меченного уридина с помощью ЖХ-МС. Они отметили маркировку уридиндифосфата (UDP) или трифосфата (UTP), аденинмонофосфата (AMP), дифосфата (ADP) или трифосфата (ATP), никотин-аденин-динуклеотида (NAD+), неосновных аминокислот (серин, глутамат и аспартат), окисленного глутатиона, а также промежуточных продуктов гликолиза, цикла TCA и биосинтеза гексозамина.

Затем исследователи нокаутировали UPP1 в клеточной линии с низким или высоким уровнем UPP1 и заметили, что способность уридина спасать клеточную биоэнергетику была отменена в отсутствие глюкозы. Нокаут UPP1 широко изменил клеточный метаболом в обеих клеточных линиях. В нокаутированных клетках также была заблокирована рециркуляция рибозы, получаемой из уридина.

Исследователи обнаружили повышенную экспрессию UPP1 в открытых наборах данных КПК по сравнению с неопухолевыми образцами. Примечательно, что высокая экспрессия UPP1 предсказывала плохую выживаемость в трех из четырех анализируемых когорт пациентов. Кроме того, команда определила, что КПК с мутантным гомологом вирусного онкогена саркомы крысы Кирстена (KRAS), т.е. KRASG12D, демонстрирует повышенный уровень UPP1.

Далее группа проверила роль мутанта KRAS на экспрессию UPP1, используя опубликованные данные микрочипов из модели КПК мышей с доксициклин-индуцируемым KRAS (iKRAS). Они обнаружили, что мутант KRAS способствует экспрессии UPP1 in vivo в модели подкожного ксенотрансплантата и in vitro в клеточных линиях КПК iKRAS. Они обнаружили, что ингибирование митоген-активированной протеинкиназы (MAPK) снижает уровень транскрипта и белка UPP1 и подавляет катаболизм уридина.

Поскольку наличие глюкозы влияет на использование рибозы, полученной из уридина, исследователи предположили, что недостаток глюкозы в TME может вызвать в PDA повышение уровня UPP1. Действительно, удаление глюкозы сильно индуцировало повышение уровня UPP1, что позволяет предположить, что за повышенную экспрессию UPP1 может отвечать дефицит питательных веществ в ТМЕ и KRAS-MAPK-сигнализация. Затем исследователи создали модели нокаута UPP1 в двух линиях рака поджелудочной железы у сингенных мышей.

Профилирование метаболомики показало накопление внутриклеточного уридина и снижение внеклеточного и внутриклеточного урацила, что соответствует ингибированию катаболизма уридина. Более того, изотопный анализ показал, что нокаут UPP1 ограничивает использование уридина для топлива центрального углеродного метаболизма. Имплантация этих линий клеток с нокаутом UPP1 в поджелудочную железу сингенных хозяев заметно снизила рост опухоли.

Выводы

Таким образом, исследователи обнаружили, что клетки PDA используют уридин в качестве источника питательных веществ в условиях недостатка глюкозы и сигнального воздействия KRAS-MAPK. Они также показали, что рибоза, высвобождаемая из уридина, обеспечивает энергетику и анаболизм в клетках PDA. Повышенное использование нуклеозидов в условиях ограничения питательных веществ поддерживает идею о том, что метаболическая конкуренция может способствовать иммуносупрессии и прогрессированию опухоли. В целом, полученные данные позволяют предположить наличие новой метаболической оси для терапии КПК.

https://www.news-medical.net/news/20230523/Scientists-unveil-a-meta**bolic-Achilles-heel-in-pancreatic-cancer.aspx