三羧酸循环酶ACO2调节脂肪代谢机制及其在结直肠癌发生发展的研究

Metabolic alteration has been considered a hallmark of cancer. Aconitase2 (ACO2) is a tricarboxylic acid (TCA) cycle enzyme that plays an important role in converting citrate to isocitrate. Citrate is a critical precursor for fatty acid synthesis in cytosol. However, the expression of ACO2 in cancer and its role in cancer development remain elusive. Our study with colorectal cancer patient samples showed that the expression of ACO2 was significantly decreased in the tumor tissues compared with their normal counterparts and decrease of ACO2 was associated with poorer prognosis. Based on these observations, we propose to: (1) elucidate the role of ACO2 in tumorigenesis of colorectal cancer; (2) test the effect of loss of ACO2 on lipid metabolism and uncover the underlying mechanisms with lipidomics and biochemistry study. (3) Investigate the critical metabolic steps and key molecules essential for the tumor growth and survival of colorectal cancer cells. Explore novel therapeutic strategies to use inhibitors of lipid metabolism to selectively kill cancer cells with metabolic alterations. The results of our study will significantly advance the understanding of the characteristics of cancer cells in lipid metabolism and provide a novel approach to improve current therapeutic activity in colorectal cancer.

代谢异常是肿瘤细胞普遍存在的基本特征。ACO2是线粒体三羧酸循环中催化柠檬酸和异柠檬酸相互转换的重要辅酶, 而柠檬酸是细胞质中脂肪酸合成的重要前体。然而，ACO2在肿瘤中的表达情况及其对肿瘤代谢特别是脂类代谢的调控和对肿瘤发生发展的相关联系却未见深入研究。我们在对人结直肠癌组织标本的前期研究首次提示, ACO2在结直肠癌中显著表达下降，为提示肿瘤不良预后的独立因素。基于此，我们将在本项目进一步（1）研究ACO2对结直肠癌发生发展影响；（2）通过脂质代谢组学分析ACO2缺失对脂类代谢改变的影响并结合分子生物学实验探讨分子调控机制；（3）确定ACO2缺失肿瘤细胞赖以生存的关键脂类代谢靶点，探索通过脂类代谢抑制剂干预并与现有结直肠癌化疗药物联用检测其体内外抗癌活性。本项目的实施将促进我们对肿瘤代谢调控机制的认识,为干预肿瘤代谢的治疗新策略提供实验与理论基础，具有显著的学术意义与临床应用价值。

脂类代谢异常是恶性肿瘤的重要特征。脂肪酸通过β氧化提供细胞能量来源，决定膜磷脂的生物大分子构成，并用于合成一系列促肿瘤脂质信号分子，以上代谢特性都在肿瘤细胞增殖存活与肿瘤进展过程中发挥重要作用。ACO2是线粒体三羧酸循环中催化柠檬酸和异柠檬酸之间相互转换的重要辅酶。而柠檬酸是细胞质中脂肪酸合成的重要前体。我们的主要研究内容为阐明三羧酸循环酶ACO2在结直肠癌中的表达情况及其与肿瘤存活发展的相关性；确定ACO2对结直肠癌细胞脂类代谢的影响及其调节机制；找出能够通过干预结直肠癌细胞脂类代谢关键靶点。我们首次发现，结直肠癌组织ACO2的mRNA及蛋白水平相对于相邻正常组织下调。低表达ACO2多见于晚期及低分化的结直肠癌标本,低表达ACO2的结直肠癌患者比高表达的患者总生存期明显缩短,单因素与多因素Cox回归分析均显示ACO2表达可作为一个预测结直肠癌预后的独立因素。敲低直肠癌细胞ACO2加速体外细胞生长与体内肿瘤生长，过表达ACO2有效抑制肿瘤生长。机制研究方面，我们利用了液/气相-质谱方法以及同位素代谢流的方法，发现在ACO2缺失情况下，谷氨酰胺的摄入增加通过三羧酸循环促进了衍生碳对细胞脂肪酸合成的贡献增加， 而葡萄糖衍生碳对细胞脂肪酸合成的贡献减少，从而确定了ACO2缺陷导致脂肪合成增加的来源途径。ACO2敲除同时导致细胞膜主要成份的甘油磷脂增加，是在ACO2敲低后细胞中最显著改变的代谢通路。同时缺失后全脂肪组的不饱和度增高，并且该不饱和度由于SCD1的表达增高而导致。我们利用SCD的抑制剂A939572处理细胞，发现SCD抑制剂特异性抑制了ACO2缺失的结直肠癌的肿瘤生长，从而提示了SCD1对ACO2缺失肠癌细胞的总要性。我们的研究阐明了结直肠癌脂肪代谢失调控的关键机制，并发现了线粒体三羧酸循环关键代谢酶ACO2在结直肠癌普遍缺失的情况下，肿瘤细胞如何进行代谢重编程促进其自身的生存于生长。发现的其中代谢关键靶点进一步提供针对代谢异常的高效杀灭肿瘤细胞的新策略，为提高抗癌特异性和疗效提供理论基础和实验依据。

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