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Nature | 减肥还能抗癌？生酮饮食通过翻译组重塑改善癌症预后！

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2024-10-25 19:04

几千年来，从希腊哲学家希波克拉底和柏拉图开始，禁食就被认定有益于人体健康。由禁食、低碳水化合物、高脂肪饮食或运动诱导的生酮作用已被证明可以激活多种细胞信号通路。尽管相关的研究工作已经进行了数十年，但禁食信号如何在蛋白质组水平上引发基因表达的变化，进而构成酮体产生的基础代谢程序仍未得到充分表征。

本月，加州大学旧金山分校Davide Ruggero团队在《Nature》上发表题为“Remodelling of the translatome controls diet and its impact on tumorigenesis”的文章。该研究结果揭示了一种新的脂肪酸诱导的信号通路，该通路激活选择性翻译，这是生酮作用的基础，为肿瘤患者提供了量身定制的饮食干预疗法。

研究材料

C57BL/6J背景鼠、AML12及其它细胞；

技术路线

步骤1：确定禁食与eIF4E的关系；

步骤2：确定禁食与翻译重编程的关系；

步骤3：确定eIF4E通过选择性翻译激活调节生酮作用；

步骤4：挖掘eIF4E对靶基因5′ UTR的特异性选择；

步骤5：证明脂肪酸通过AMPK途径控制诱导翻译控制；

步骤6：分析饮食模式促进肿瘤治疗的敏感性。

研究结果

1. 禁食通过P-eIF4E在翻译水平控制生酮发生

禁食期间整体的蛋白合成被抑制，而翻译的主要调节因子mTOR通路的磷酸化将调节eIF4E活性。基于此，作者发现禁食后，激活eIF4E活性的S209残基的磷酸化水平（P-eIF4E），及eIF4E的唯一激酶MNK显著增加，并随着再喂养而减少。

为了证明禁食期间翻译重编程是否会介导协调代谢重编程，作者在WT小鼠的喂养到禁食的过渡期间，使用PolyRibo-seq技术分析了肝脏组织的翻译景观。发现相比于喂养，禁食期间的整体翻译下降，而上调的转录本主要参与脂质代谢和酮体产生通路。其中，生酮限速酶Hmgcs2和肝脏脂质代谢/生酮的主要调节因子PPARα的上调引起了作者的关注。

作者随后研究了P-eIF4E在调控生酮发生中的作用。肝脏的代谢组学结果显示，与WT小鼠相比，主要酮体β-羟基丁酸酯（BHB）和β-氧化产物在eIF4ES209A小鼠禁食后下降；Hmgcs2产物HMG-CoA显着降低，而其前体乙酰辅酶A未发生明显变化，表明Hmgcs2活性在eIF4ES209A小鼠存在缺陷。总之，这些结果表明，抑制P-eIF4E会破坏禁食期间肝脏中的β-氧化和生酮作用。

图1 禁食通过P-eIF4E在翻译水平控制生酮发生

2. P-eIF4E是通过5' UTR进行禁食诱导的翻译所必需的

作者进一步在禁食期间进行了PolyRibo-seq实验用以分析肝脏的翻译效率。发现，eIF4ES209A小鼠恢复了多个在WT小鼠上调基因的表达，包括PPARα、Hmgcs2和其它参与β-氧化与生酮的基因。因此，P-eIF4E在禁食期间β氧化和生酮产生的翻译重编程中具有重要作用。

之前已报道底物mRNA 5' UTR的基序区别是导致eIF4E翻译选择性的主要原因，而富含胞嘧啶的翻译调节因子（CERT）和富含嘧啶的翻译元件（PRTE）是eIF4E偏爱的基序，因此作者探讨了靶基因的5' UTR是否足以赋予对禁食的翻译敏感性。首先，分析在eIF4ES209A鼠中恢复上调的基因，发现70%包含至少一个 CERT或PRTE基序；其次发现，带有PPARα 5' UTR的荧光素酶在WT鼠中高表达，而在eIF4ES209A鼠中表达较低。随后通过引入C/G转位，证明突变PRTE而不是CERT影响P-eIF4E的翻译敏感性。结果表明，P-eIF4E与PRTE基序的连接可调节禁食期间的选择性翻译。

图2 P-eIF4E是通过5' UTR进行禁食诱导的翻译所必需的

3. 脂肪酸增强AMPK活性以诱导MNK-P-eIF4E轴

接下来，作者研究了禁食如何触发MNK-P-eIF4E依赖性翻译控制。由于血浆中游离脂肪酸的增加是禁食的关键特征之一，并已被证明可以作为信号分子发挥作用，因此在细胞模型培养中进行短暂的脂肪酸刺激以达到脂肪酸诱导下的禁食情形。发现脂肪酸，尤其是多不饱和脂肪酸亚油酸诱导了MNK-P-eIF4E轴和PPARα、Hmgcs2 mRNA翻译上调的缺陷，并且这种诱导能被P-eIF4E抑制剂的预处理所抑制。这些结果表明，脂肪酸可以在禁食期间发出信号以激活肝脏中的MNK-P-eIF4E轴及其对生酮转录物的下游翻译控制。

为了进一步深入了解MNK-P-eIF4E轴响应脂肪酸刺激而激活的潜在机制，作者对MNK上游调节因子进行了药理学候选筛选，发现只有抑制AMPK的活性显着抑制细胞中的eIF4E磷酸化和PPARα、Hmgcs2 的翻译。同时，体内药理学抑制AMPK活性显着降低了禁食WT小鼠的生酮作用。

使用重组蛋白和体外活性测定，发现AMPK以剂量依赖性方式磷酸化MNK，并通过质谱分析定量了 AMPK孵育的MNK中三个高度增加的磷酸化位点：P-Ser39、P-Ser168 和 P-Ser394。这些氨基酸的突变都会降低AMPK介导的P-MNK。此外，AMPK能够促进MNK两处苏氨酸残基的ERK依赖性去磷酸化，MNK Ser394突变导致AMPK诱导的ERK对MNK磷酸化的增强。以上结果表明，AMPK对MNK的磷酸化是增强随后ERK对MNK磷酸化的第一步，最终导致P-eIF4E的产生。

随后，作者通过AMPK活性实验、迁移实验、IP实验、分子动力学模拟等证明亚油酸可以与 γ-亚基互作进而激活AMPK。总之，长链脂肪酸充当AMPKγ的生理配体，可调节AMPK活性以调节下游代谢途径，并促进MNK-P-eIF4E的磷酸化。

图3 脂肪酸增强AMPK活性以诱导MNK-P-eIF4E轴

4. 生酮饮食激活P-eIF4E依赖性翻译以调节生酮

在禁食模式研究的基础上，作者进一步研究了生酮饮食是否通过类似的途径控制下游翻译。首先在生酮饮食中，WT小鼠肝脏的AMPK 磷酸化和活性增加、P-eIF4E增加，而eIF4ES209A小鼠的血液BHB浓度下降；其次，在生酮饮食的肝脏上使用PolyRibo-seq，发现生酮饮食和禁食之间存在类似的翻译组重塑；再次，eIF4ES209A小鼠的乙酰辅酶A和其它短链酰基辅酶A降低，表明存在β-氧化缺陷；最后，PPARα cDNA的注射完全恢复了eIF4ES209A小鼠的血液BHB浓度和转录靶标。

图4 生酮饮食激活P-eIF4E依赖性翻译以调节生酮

5. 靶向P-eIF4E与生酮饮食相结合可限制肿瘤生长

某些肿瘤可以使用酮体作为替代能量来源来维持肿瘤细胞的生长，因此在生酮饮食下，P-eIF4E可能是一个潜在的治疗靶点。胰腺癌的细胞系和动物模型证明，生酮饮食和MNK抑制剂相结合极大地抑制了胰腺肿瘤的生长，并下调肝脏中PPARα和Hmgcs2转录物的翻译以及血液BHB浓度。

使用PolyRibo-seq检查了肿瘤翻译组，发现生酮饮食也重塑了肿瘤翻译组，并且这种重塑被MNK抑制剂治疗抑制，而PPARα成为受影响最大的基因。为了评估PPARα是否是肿瘤中MNK抑制剂的功能靶标，作者在没有5′ UTR的情况下过表达PPARα，发现在细胞和动物模型中，PPARα过表达让联合治疗不敏感。

图5 靶向P-eIF4E与生酮饮食相结合可限制肿瘤生长

小结

近年来，饮食干预已被证明可以改善癌症预后。在这里，作者表明胰腺肿瘤细胞使用翻译控制作为重新编程其代谢途径的手段，以维持它们在生酮饮食中的生存。靶向P-eIF4E与生酮饮食相结合对肿瘤生长的强烈抑制揭示了未来胰腺癌治疗的新治疗方法。

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