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NAT MED:繪制腫瘤細胞系代謝圖譜

更新時間:2019-04-06瀏覽:1486次

1從培養的CCLE細胞系中提取代謝產物

 

體外培養20種主要癌癥類型的928個癌細胞系,用于124種極性代謝物和101種脂類的代謝組學分析(1a)。使用層次聚類來評估細胞系之間的代謝相似性。兩個主要的聚類與造血系和非造血系有很強的相關性,表明這兩組的主要代謝是有差異的(p<1×10−10,Fisher’s確切檢驗)。為了進一步量化代謝物水平(y)與主要癌癥譜系(X)的關系程度,采用線性回歸模型進行分析。結果表明,225個代謝物中有148個的譜系效應(定義為r2)大于0.1,表明這些代謝物中至少有10%的跨細胞系代謝物水平差異與譜系相關。同時評估了主要癌癥譜系中每種代謝物的平均豐度表明不同腫瘤細胞系代謝譜圖存在差異。例如,磷酸肌酸在食道細胞系中積累,而在腎臟或造血系中不積累,相比之下,1-甲基煙酰胺在大多數腎臟和胸膜細胞系中含量豐富,但在許多其他譜系中含量較低。

2代謝物與遺傳特征的關系

 

除了譜系外,癌癥中的遺傳或表觀遺傳事件也可能改變細胞代謝。為了識別可能由遺傳差異引起的代謝變異,我們構建了一個包含705個基因突變和61個擴增/缺失的遺傳特征矩陣。應用線性回歸模型尋找這些遺傳特征和代謝物水平之間的聯系(1c)。遺傳特征通過與每個代謝物的相關性進行評分,并按統計學意義的順序進行比較。有趣的是,我們發現機械相關特征往往與異常代謝物水平具有很強的相關性。下面將討論所選的示例。

首先,無偏比較結果顯示,對于2-羥基戊二酸鹽(2HG)來講,IDH1熱點錯義突變是首要的預測遺傳特征(1d)。具有這種代謝物異常積累的細胞系大多是IDH1/IDH2突變體(1e),與已有報導相符。值得注意的是,雖然CCLE中并沒有已知的腎細胞癌(RCC)株系有IDH1 / IDH2突變,其他株系效應分析表明,RCC株系中平均2HG含量比其他株系中多三倍,這與已有研究結果相吻合。

總而言之,通過代謝物和各種遺傳特征之間的無偏關聯分析,證實了先前發現的將致癌因子變化(如IDH1/KEAP1/ME2)與異常代謝物相關。

 

DNA甲基化調節代謝物豐度

 

接下來,我們檢測DNA甲基化并評估其與代謝物水平的關系。2114個基因的mRNA轉錄本與其啟動子CpG甲基化水平顯著相關。相關系統分析揭示與潛在的代謝失調相關的數量驚人的特異性改變(2a)。這些觀察結果可分為兩類:

1、DNA高甲基化似乎通過抑制某些代謝物降解途徑來影響代謝物水平,例如,SLC25A20的甲基化與長鏈類酰基肉堿(如油基肉堿)的積累具有很強的相關性(2b)SLC25A20,也被稱為肉堿/酰基肉堿轉位酶,使酰基肉堿通過線粒體內膜進行脂肪酸氧化。SLC25A20高甲基化與標記的mRNA轉錄減少相關(2c), 伴隨著14、1618個碳的酰基鏈的酰基肉堿類物質顯著升高 (2 d-g), 但與其他具有較短或較長的酰基鏈的酰基肉堿沒有關系,這表明在這些細胞系中存在一種不尋常的脂肪酸分解代謝缺陷。

2、DNA高甲基化似乎通過限制生物合成途徑的成分來調節代謝水平。例如,脯氨酸水平的降低與PYCR1的高甲基化有關,PYCR1是一種將吡咯啉-5-羧酸鹽轉化為脯氨酸的酶(2hi)。此外,丙氨酸水平的降低與GPT2的高甲基化有關,GPT2可以通過轉胺作用合成丙氨酸

代謝物依賴關系分析 

 

長期以來,人們一直希望利用失調的癌癥代謝狀態進行治療。為此,我們試圖將代謝變化與DepMap CRISPR-Cas9敲除數據集揭示的癌癥缺陷聯系起來,在該數據集中,483CCLE細胞系已經通過針對~17,000個基因的~74k sgRNAs文庫進行了篩選。利用CERES評分來總結基因水平依賴性(較小的值表示對基因敲除更敏感),然后就代謝物的變化詢問每個基因水平依賴性。這一無偏的代謝依賴相關分析表明,在癌細胞株中觀察到的不同代謝表型與不同的基因依賴相關,因此具有潛在的治療靶點(3a)。首先,氧化還原代謝物(包括GSHGSSGNADP+)的異常積累(部分歸因于KEAP1突變,見上述分析)NFE2L2 (NRF2)敲除敏感性增加有關,NFE2L2是一種參與抗氧化反應的轉錄激活因子(3b-d)。值得注意的是,依賴關系zui強的是 SLC33A1(3b-d),這是一種乙酰輔酶a轉運體,其在氧化還原穩態中的作用目前尚不清楚。同時發現較低天冬酰胺水平的細胞更依賴于其合成酶(ASNS)EIF2AK4 (GCN2,參與氨基酸饑餓反應)(3e)。此外,我們還觀察到一個有趣的關聯,涉及兩個不同的甘油三酯(TAG)(3a)。其中一個簇包含多不飽和標簽種類(多于4C=C),另一個簇包含較少不飽和標簽種類及單不飽和脂肪酸酰基(MUFA)(圖3a)。為了區分富含這兩類物質的癌細胞系,我們將其標記為高多不飽和脂肪酰基 (PUFAhigh, n=315)或低多不飽和脂肪酰基(PUFAlow, n=325),排除了那些沒有明顯脂質不飽和差異的細胞系(3f)。其他脂類如磷脂酰膽堿(PC,圖3g)和膽固醇酯(CE,圖3h)也存在這種不飽和差異。為了驗證這種*的脂質利用模式是否與靶標依賴相關,對比CERES評分,發現PUFAhigh細胞系對GPX4敲除敏感(3i)GPX4敲除介導了過氧化PUFA的解毒作用。相比之下,PUFAlow細胞系對合成MUFA的CTNNB1SCD的缺失很敏感(3i)。總之,這些無偏關聯分析表明,體外培養的癌細胞具有顯著的脂類差異,可以根據PUFA分類選擇性靶向分析。

5 CCLE細胞系的表型分析

 

如上所述,較低的天冬酰胺水平與較高的天冬酰胺合成酶(ASNS)缺失敏感性密切相關(3e)。當培養基中天門冬酰胺缺失時,ASNS基因的下調明顯阻礙了細胞的增殖。考慮到一些具有ASNS啟動子高甲基化的CCLE細胞系,即使存在其轉錄激活因子ATF4,其ASNS表達也異常低(Fig.4a), 因此推測內在甲基化依賴型基因抑制可能通過特定的營養剝奪來選擇性靶向目標基因。為了探索這個問題,使用有24個核苷酸barcodes標記的544種的CCLE細胞株(4b)在氨基酸組成明確的條件種培養,并在處理6天后使用barcode高通量測序方法評估細胞活力。我們發現,當在限制天冬酰胺條件下生長時,那些異常低表達的ASNS被選擇性地耗盡(4 c)。類似的,發現低表達ASS1GLUL(啟動子區域甲基化影響)標記的細胞表達較低,它們對精氨酸供應減少更敏感,對谷氨酰胺也更敏感 (4d, e)。綜上所述,這些例子表明,DNA高甲基化影響了對營養有效性的依賴,例如癌細胞亞群中的天冬酰胺、精氨酸和谷氨酰胺營養缺乏。

擴展天冬酰胺酶的治療作用

 

前面的表型現象促使我們探索天冬酰胺酶的潛在治療價值超出急性淋巴細胞白血病(ALL)的范圍。我們證實ASNS高甲基化的細胞也缺乏蛋白表達(圖5a-c),并且在體外對天冬酰胺酶非具有高度敏感性 (5d)。為了確定該依賴性是否也存在于體內,將7*106的2313287 (ASNShigh)或SNU719 (ASNSlow)細胞分別植入裸鼠的兩側。當腫瘤體積達到100-200 mm3左右時,用天冬酰胺酶腹腔注射(3000單位/kg/注射,每周5)或空白對照的方法對小鼠進行治療,并在3周內監測腫瘤的生長情況。發現SNU719腫瘤的生長明顯下降,而2313287腫瘤的生長幾乎沒有下降(5e)。還發現,在植入和治療這些異種移植腫瘤的過程中,ASNS的高甲基化和表達丟失得以維持(圖5f)。這些數據也表明ASNS免疫組化可能被應用于天冬酰胺酶試驗的患者分類和選擇。同時檢測癌癥基因組圖譜(TCGA)中胃癌和肝癌的DNA甲基化,發現它與腫瘤樣本中ASNS表達的降低顯著相關(5g)。總之,這些結果表明,天冬酰胺酶可以抑制腫瘤細胞系的特定亞群的生長,同時在體內和體外都可以抑制ASNS的表達。

CCLE中犬尿氨酸代謝譜圖

 

除了分析具有營養價值的代謝物外,我們還探索了包括犬尿氨酸在內的信號代謝物的模式。犬尿氨酸由色氨酸分解代謝產生,通過芳基烴類受體(AHR)發揮免疫抑制作用,抑制效應T細胞增殖,促進調節性T細胞生成。這些發現導致了針對犬尿氨酸通路的IDO1抑制劑聯合PD1阻斷劑的臨床試驗。在CCLE中,我們觀察到跨越多個癌癥類型的三個數量級的細胞內犬尿氨酸濃度 (6a)。我們發現,在發現和驗證的細胞系中,細胞內較高的犬尿氨酸水平與培養基中分泌更多的犬尿氨酸密切相關 (6b)。這些數據表明,具有較高細胞內犬尿氨酸濃度的細胞系也在積極地將其分泌到細胞外空間。通過將mRNA轉錄本(n=18,205)與犬尿氨酸水平相關聯,我們發現IDO1IDO2TDO是與犬尿氨酸水平顯著相關的zui熱門的三個位點(6c)。有趣的是,我們在IDO1/2TDO mRNA水平高的細胞系中觀察到豐富的細胞內犬尿氨酸(6d)。根據癌細胞IDO (IDO1為主要形式)TDO的表達,我們將全尿酸含量高的癌細胞兩類,約有三分之一的癌細胞同時表達IDO1TDO,其余的由IDO1TDO驅動(6e)。在TCGA的不同腫瘤樣本中也可以觀察到這種差異表達模式(6f)。這表明,癌細胞可能使用酶或潛在的兩者都產生犬尿氨酸。接下來,我們研究了IDO1選擇性抑制劑epacadostat是否在這些不同的環境中有效阻斷犬尿氨酸的分泌。為了在體外驗證這一點,我們在三個有代表性的細胞系中研究了epacadostat對犬尿氨酸分泌的抑制作用。我們發現epacadostat*抑制NCIH596 (IDO1high)的犬尿氨酸分泌,導致IGR39 (IDO1high + TDOhigh)的犬尿氨酸分泌大量減少,而對JHH7 (TDOhigh)的影響很小(6g)。因此,這些將高犬尿氨酸與IDO1TDO mRNA表達聯系起來的數據表明,選擇性的IDO1抑制可能只在這些腫瘤的一個亞群中起作用,并且可能進一步受到TDO介導的逃逸。zui近,關于epacadostat與抗PD-1抗體pembrolizumab聯合應用于未被選擇的轉移性黑素瘤患者的III期陰性數據被報道,我們的數據提出了這樣一種可能性,即選擇腫瘤中犬尿氨酸含量增加的患者,同時了解哪些酶正在產生犬尿氨酸,這可能對進一步開發IDO/TDO抑制劑至關重要。

 

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