Nature: 乳酸如何促进黑色素瘤转移？

来源：精准医学与蛋白组学

肿瘤转移是指恶性肿瘤细胞从原发部位，经淋巴道，血管或体腔等途径，到达其他部位继续生长的过程。以往研究表明，恶性肿瘤的转移往往是肿瘤治疗失败的主要原因。事实上，肿瘤转移是一个非常低效的过程，只有少数的肿瘤细胞能够最终存活下来，因为限制肿瘤成功转移的因素有很多，而氧化压力(Oxidative stress)则是其中之一。基于这一思路，科学家们一直努力尝试通过增加肿瘤细胞的氧化压力来遏制肿瘤的进程。

乳酸很长一段时间以来一直被认为是一种糖酵解过程当中产生的代谢废物，然而，近几年的研究则表明乳酸也可以充当能源物质被某些肿瘤细胞所利用。比如说，有研究报道肺癌【1】和胰腺癌【2】细胞可以通过乳酸转运蛋白MCT1从血液循环中吸收乳酸作为碳源供给TCA循环。此外，最新的研究显示，乳酸还能够作为前体物质介导全新的组蛋白乳酸化修饰，调控癌症和炎症等疾病【3】（点击查看详细解读：Nature重大突破：全新组蛋白乳酸化修饰调控癌症和炎症等疾病）。这些发现提出了一个十分重要的科学问题：乳酸消耗是否可以作为恶性肿瘤的分子标志物并且会直接促进肿瘤的进程？

2019年12月19日，来自达克萨斯西南医学中心的Sean J. Morrison教授研究团队在Nature上发表了题为Metabolic heterogeneity confers differences in melanoma metastatic potential的研究，报道了高表达MCT1的黑色素瘤可以通过摄取循环系统中的乳酸来抵御氧化压力，从而获得更强的转移能力。此外，他们的研究还揭示了MCT1表达水平不同是导致黑色素瘤转移过程异质性的主要原因。

首先，为了探究高转移黑色素瘤和低转移黑色素瘤之间的代谢差异，作者分别从这两种转移类型的肿瘤患者体内将黑色素瘤细胞分离出来并通过皮下注射的方式接种到NSG小鼠体内，待肿瘤长到直径约2cm大小时，分别给荷瘤小鼠注射13C全标的[U-13C]Glutamine和[U-13C]Glucose。作者发现，当给小鼠注射[U-13C]Glucose之后，高转移黑色素瘤来源的肿瘤细胞内被标记的乳酸水平显著升高，更有趣的是，其绝对丰度甚至超过了3PG(3-phosphoglycerate)。这提示：高转移黑色素瘤除了糖酵解途径产生乳酸之外似乎还可以吸收血液循环中的乳酸。

为了证实这一现象，作者将13C全标的[U-13C]lactate注射到小鼠体内，结果同样表明高转移黑色素瘤细胞内被标记的lactate绝对丰度超出3PG和pyruvate，这说明该类型黑色素瘤的确可以吸收循环系统中的乳酸。此外，作者通过[2-2H]lactate(可以产生非标记的pyruvate)处理小鼠证实乳酸的确可以被肿瘤直接吸收利用，而不是先代谢成pyruvate再被吸收进去。

乳酸转运主要依赖MCT1和MCT4【4】。作者发现MCT1在高转移黑色素瘤细胞中是高表达的，但MCT4表达量在两种类型的黑色素瘤细胞中却没有显著差异。为了证明高转移黑色素瘤细胞摄取乳酸依赖MCT1,作者用MCT1的选择性抑制AZD3965去处理荷瘤小鼠，结果表明AZD3965可以显著减少血液循环中的黑色素瘤细胞，但是对皮下接种的肿瘤生长几乎没有影响。这说明抑制MCT1的确可以抑制黑色素瘤细胞的转移。此外，作者在高转移黑色素瘤细胞中敲低MCT1和低转移黑色素瘤细胞中过表达MCT1也进一步验证了这一结论。

那么，MCT1促进黑色素瘤细胞转移的分子机制是什么呢？之前的研究指出，对于培养的肿瘤细胞，如果抑制掉MCT1和MCT4活性会抑制乳酸排出细胞从而减弱糖酵解过程，导致细胞的氧化压力增加【5】。作者发现用AZD3965处理黑色素瘤细胞的确会增加细胞内ROS的水平，更有意思的是，用NAC(N-acetyl cysteine)处理小鼠可以显著的削弱AZD3965对于血液循环中黑色素瘤细胞的杀伤作用。这说明抑制MCT1的确可以降低转移黑色素瘤细胞抵御氧化压力的能力。进一步，作者通过[1,2-13C]标记的Glucose进行代谢流示踪实验证明抑制MCT1不仅可以直接抑制磷酸戊糖途径，还可以减少lactate转变成pyruvate过程中NADH的生成。

最后，为了探究MCT1表达水平是否可以直接影响黑色素瘤细胞转移能力，作者用流式细胞仪分别将MCT1high(MCT1高表达)和MCT1-/low(MCT1低表达)细胞分选出来，然后分别通过皮下注射和静脉注射的方式接种到小鼠体内。结果表明，皮下注射组中两种细胞的生长速度和形成肿瘤大小几乎没有差异，而静脉注射组MCT1high黑色素瘤细胞形成肿瘤的能力则显著增加。这说明MCT1表达水平不同是导致黑色素瘤转移过程异质性的直接原因。

综上，Sean J. Morrison教授的研究工作不仅阐明了黑色素瘤转移过程的异质性取决于MCT1表达水平的差异，并揭示了其中的分子机制是在于MCT1高表达的黑色素瘤可以利用血液循环中的乳酸来抵御氧化压力，从而获得更强的转移能力。更为重要的是，作者发现MCT1的小分子抑制剂AZD3965能够非常有效的抑制肿瘤转移，未来很有希望用于临床。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1847-2

参考文献：

1. Faubert, B. et al. Lactate metabolism in human lung tumors. Cell 171, 358–371.e9 (2017).

2. Hui, S. et al. Glucose feeds the TCA cycle via circulating lactate. Nature 551, 115–118.

3. Di Zhang, et al. (2019) Metabolic regulation of gene expression by histone lactylation. Nature.

4. Halestrap, A. P. Monocarboxylic acid transport. Compr. Physiol. 3, 1611–1643 (2013).

5. Doherty, J. R. et al. Blocking lactate export by inhibiting the Myc target MCT1 disables glycolysis and glutathione synthesis. Cancer Res. 74, 908–920 (2014).

6. Alpaslan Tasdogan, et al. (2019) Metabolic heterogeneity confers differences in melanoma metastatic potential. Nature.