突破！微管蛋白的谷氨酸化修饰促进乳腺癌转移

撰文 | 胡小话

责编 | 兮

肿瘤细胞和周围的胞外基质 (ECM) 是构成肿瘤微环境 (TME) 主要要素。在肿瘤的进展过程中，随着肿瘤体积的不断扩张，肿瘤细胞需要通过调节细胞骨架的硬度来应对不断升高的外界机械压力，而这一过程的分子基础则主要依赖微管蛋白 (microtubule) 以及它的动态调控【1】。

目前认为微管蛋白上的翻译后修饰是控制微管功能的主要调控方式，已知的翻译后修饰类型包括乙酰化、(多聚) 谷氨酸化、(多聚) 糖基化【2】，但是目前仍不清楚的是外界的机械力信号是否会调控微管蛋白上的翻译后修饰水平。另外一个没有回答的重要科学问题是，肿瘤的代谢方式是否会通过改变细胞骨架的结构与功能来调控肿瘤与胞外基质的相互作用进而促进肿瘤转移和进展？

近日，来自法国Université Côte d’Azur的Thomas Bertero研究团队在Cell Metabolism 杂志上发表了题为Mechano-induced cell metabolism promotes microtubule glutamylation to force metastasis的研究文章，揭示了机械力驱动的肿瘤代谢重编程通过增加微管蛋白的谷氨酸修饰来促进肿瘤转移的分子机制。

首先，借助免疫荧光和FRAP(光漂白荧光恢复)技术，作者发现提高胞外基质的硬度会增加细胞内微管的数量与长度。并且他们发现，随着基质硬度的提高，微管蛋白的谷氨酸修饰 (glutamylation) 的水平也是升高的。

由于glutamylation直接受细胞内的glutamate水平所调控，因此作者猜测外界的机械压力可能会通过改变细胞代谢来增加微管蛋白的glutamylation水平。于是作者对处于不同硬度基质培养的细胞进行了代谢组学分析，发现细胞内Glutamate水平随着基质硬度的升高的确是增加的。此外，用GLS抑制剂去抑制glutamine代谢成glutamate会显著抑制微管蛋白的glutamylation水平。因此，这些实验结果说明外界的机械压力会重塑glutamine代谢，通过维持细胞内高glutamate水平来增加微管蛋白的谷氨酸化修饰。

接下来，作者想去探究微管蛋白的glutamylation是否会调控微管稳定性以及相应的细胞功能。微管蛋白的glutamylation的产生和移除是由谷氨酸修饰酶TTLLs和去谷氨酰化酶CCPs两个蛋白家族来执行，而最终作者确定是TTLL4和CCP5介导了机械压力引起的微管蛋白的glutamylation水平的动态调控。进一步，通过siRNA去改变TTLL4和CCP5的表达量，或者去外源表达微管蛋白的glutamylation修饰位点缺失的突变体都会显著改变微管的稳定性、功能以及细胞的增殖速率。因此，这些实验结果共同说明微管蛋白的glutamylation在机械力介导的细胞功能的改变中发挥重要作用。

最后，作者想去进一步挖掘这一研究发现的病理意义。此前，大量的研究证据显示在乳腺癌的发生过程中，基质硬度的增加会促进肿瘤的转移和进展【3】。于是，他们首先在乳腺癌细胞系中验证了之前的实验结果。为了更能反应生理状态，他们构建了一个原位的乳腺肿瘤小鼠模型，他们发现抑制glutamate的生成、敲低glutamylation修饰酶TTLL4以及稳定表达修饰位点缺失的微管蛋白突变体都可以显著抑制小鼠体内乳腺癌的增长与转移，从而在体内再次验证了之前的实验结论。

最后总结一下。尽管微管蛋白的谷氨酸修饰在上个世纪90年代就已经发现【4】，但是它们与肿瘤代谢之间的联系却一直没有被建立，除此之外，它们在肿瘤增殖与转移过程中的作用也一直没有被解释清楚。而这项研究则很好地回答前面两个问题。另外，考虑到细胞毒性以及特异性等问题，靶向微管蛋白的谷氨酸修饰相比较靶向微管蛋白本身具有更大的优势，从而提供了一个更优的肿瘤治疗靶点。

另外，作者也指出由于微管蛋白上也存在很多其他的翻译后修饰，例如乙酰化和糖基化等【2】，因此这些翻译后修饰是否受肿瘤代谢所调控以及它们在肿瘤进展和转移过程中的功能仍值得去进一步探索。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cmet.2021.05.009

制版人：十一

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