Cell Rep丨夏思源/张宝童团队合作揭示硒代谢关键酶SEPHS2调控肿瘤代谢重编程的新机制|夏思源|张宝童|糖代谢|肿瘤细胞|蛋白

硒是维持人体健康所必需的微量元素之一，在细胞氧化还原稳态调控中发挥重要作用。长期以来，硒在肿瘤中的功能研究主要集中于硒蛋白及其抗氧化作用，例如通过清除过氧化物和缓冲活性氧压力，帮助细胞维持相对稳定的氧化还原环境。与此同时，硒缺乏也被认为与肿瘤发生发展相关。因此，了解硒代谢如何参与调控癌细胞的能量代谢和氧化应激适应，对深入理解硒与肿瘤的关系及针对硒代谢的靶向治疗均有重要意义。

在细胞内，无机硒和有机硒需要经过一系列硒代谢酶转化为共同中间代谢产物硒化氢，随后由硒磷酸合成酶 2 （ SEPHS2 ）催化生成硒磷酸，进一步用于硒蛋白的合成。然而，作为细胞内源性氧化应激的重要来源，氧化磷酸化（ OXPHOS ）是否以及如何受到硒代谢调控，仍缺乏系统回答。

近日，南方科技大学医学院夏思源、张宝童团队在CellReports发表题为SEPHS2 loss reprograms cancer metabolism from oxidative phosphorylation to gluconeogenesis via PCK1 stabilization的研究论文。该研究围绕OXPHOS水平调控，利用Seahorse检测对多种硒代谢酶展开小规模筛选，确定了SEPHS2是连接硒代谢与OXPHOS的核心枢纽。 SEPHS2 缺失使肿瘤细胞的葡萄糖代谢从传统的糖酵解和 OXPHOS 向糖异生和戊糖磷酸途径（ PPP ）重编程，并阐明了 SEPHS2 的缺失激活 NAD + -SIRT2-PCK1 轴重塑糖代谢的分子机制。同时针对肿瘤在硒缺乏或 SEPHS2 缺失条件下 PPP 通路上调的代谢特点，开发了在 SEPHS2 缺失条件下使用 PPP 抑制剂治疗肿瘤的应用策略。

首先，研究团队在 A-375 黑色素瘤细胞中对多个硒代谢关键酶进行敲低或敲除，并使用 Seahorse 分析检测线粒体 OXPHOS 水平。结果显示， SEPHS2 缺失在多种肿瘤细胞中均可抑制 OXPHOS ，同时，低硒条件也会降低 SEPHS2 水平并削弱线粒体呼吸，提示 SEPHS2 是调节硒代谢与肿瘤细胞的能量生成和氧化还原稳态的关键分子。随后，研究团队进一步发现， SEPHS2 缺失并未使肿瘤细胞的能量代谢简单的转向糖酵解，虽然细胞仍依赖葡萄糖作为主要碳源，但其基础糖酵解及代偿性糖酵解水平均未发生变化，但 SEPHS2 缺失降低了肿瘤细胞的葡萄糖消耗和利用效率，说明肿瘤细胞发生了更复杂的糖代谢重编程。

通过蛋白质组学分析，研究团队发现， SEPHS2 缺失后糖异生关键酶 PCK1 显著上调。敲低 PCK1 或使用 PCK1 抑制剂，均可恢复 SEPHS2 缺失造成的线粒体 OXPHOS 水平下降。 13 C- 葡萄糖代谢流追踪进一步证明， SEPHS2 缺失增强糖异生通路，推动葡萄糖代谢从 OXPHOS 转向糖异生方向。进一步机制研究表明， SEPHS2 缺失并非通过提高 PCK1 转录水平发挥作用，而是通过增强 PCK1 蛋白稳定性。 SEPHS2 缺失后，细胞内 NAD+ 水平升高，激活去乙酰化酶 SIRT2 的活性，降低 PCK1 乙酰化水平，从而抑制 PCK1 的泛素化降解，进而稳定 PCK1 蛋白。

该研究同时发现，在 PCK1 上调的情况下， SEPHS2 缺失细胞中的糖代谢中间产物进一步流向 PPP 。 PPP 相关产物和通路的代谢酶表达增加，限速酶 G6PD 活性增强，敲低 PCK1 则可抑制这一变化。小鼠低硒饮食模型也显示，硒缺乏可伴随 SEPHS2 水平下降、 PCK1 升高、 PPP 代谢酶上升，提示硒缺乏环境可能通过 SEPHS2-PCK1-PPP 轴重塑肿瘤代谢。

从功能上分析， SEPHS2 缺失虽未明显改变 A-375 细胞增殖和小鼠皮下成瘤能力，但却增强了细胞迁移、成球能力和肺部转移能力。同时， SEPHS2 缺失使肿瘤对 PPP 抑制剂更加敏感。在小鼠皮下移植瘤和肺转移模型中， PPP 抑制剂 6-aminonicotinamide （ 6-An ）均展现出对 SEPHS2 缺失组肿瘤更有效的抑制能力。

综上所述，该研究将硒代谢与肿瘤细胞的能量生成和氧化还原稳态相整合，以 SEPHS2 为枢纽，阐明了 SEPHS2 缺失介导细胞糖代谢由 OXPHOS 向糖异生和 PPP 方向转变的重编程模式，从而重新调整葡萄糖代谢流以维持氧化还原稳态。解析了 SEPHS2 缺失通过 NAD + -SIRT2-PCK1 轴稳定 PCK1 蛋白，增强糖异生并激活 PPP ，帮助肿瘤细胞适应硒缺乏环境并获得更强的肺部播散能力。该发现拓展了人们对硒代谢与肿瘤代谢可塑性的认识，也提示 PPP 抑制剂可能成为针对 SEPHS2 缺失或硒缺乏条件下肿瘤的潜在治疗策略。