葡萄膜黑色素瘤（uveal melanoma, UM）是起源于眼球内血管膜的恶性肿瘤，也是成人最常见的眼内恶性肿瘤。UM恶性度高、易转移，约一半的UM患者在疾病过程中发生肝转移。UM患者一旦发生转移，生存期很短，肝转移患者中位无进展生存期和总生存期仅为3.3个月和10.2个月。同时，与皮肤和黏膜等其他部位黑色素瘤不同，UM对化疗、放疗和免疫治疗等均不敏感，上述治疗对提高生存率和生存期的作用极其有限。UM发病隐匿，早期不易发现，加之对该病认识不足，导致我国UM晚期患者比例高、病情重。因此，寻找UM有效治疗靶点，降低UM死亡率是亟待解决的临床难题。
图1：论文封面
近日，上海交通大学医学院范先群院士团队和精准医学院执行院长雷鸣教授团队联合研究揭示了葡萄膜黑色素瘤糖异生关键酶别构激活机制，也阐明了乙酰辅酶A如何别构调控丙酸羧化酶的这一关键科学问题，研究结果以论著形式于近日发表于Cell子刊Molecular Cell。（图1）
图为范先群院士
上海交通大学医学院附属第九人民医院眼科的前期研究显示，代谢重编程是UM恶性特征之一，肿瘤细胞通过无氧糖酵解、谷氨酰胺代谢、非主要供能物质供能等代谢重编程，适应缺氧的微环境，满足自身快速增殖时的物质和能量需求（Yu et al. Genome Biol，2021）。研究发现，糖异生的异常激活与UM肝转移密切相关，是治疗转移性UM的理想靶点（Nat Rev Cancer. 2013）。同时，丙酸羧化酶（pyruvate carboxylase, PC）是催化丙酮酸的羧化生成草酰乙酸的关键酶，也是糖异生的第一步限速步骤。这一过程中，乙酰辅酶A作为重要的别构激活代谢物，参与该反应的过程。然而，乙酰辅酶A介导的丙酮酸羧化酶别构调控机制在UM的发病中的作用尚不清楚。
图为雷鸣教授开展科研实验
针对该关键科学问题，上海九院眼科柴佩韦博士和上海精准医学研究院兰鹏飞研究员等在范先群院士和雷鸣教授指导下，在丙酸羧化酶中特异引入了四个点突变，破坏乙酰辅酶A和丙酸羧化酶的作用位点，促进丙酸羧化酶自我激活。团队研究发现，在葡萄膜黑色素瘤细胞中，自我激活丙酸羧化酶的表达显著抑制细胞生长和克隆形成；自我激活的丙酸羧化酶的过度表达导致线粒体中草酰乙酸的显著增加和乙酰辅酶A的含量减少。这一结果表明，自我激活的丙酸羧化酶活性的提高消耗了更多的丙酮酸来生产草酰乙酸，因此丙酮酸脱氢酶可以将较少的丙酮酸转化为乙酰辅酶A。伴随着乙酰辅酶A的减少，研究人员还观察到表达自我激活的丙酸羧化酶的细胞中柠檬酸盐水平降低，这与线粒体中大多数乙酰辅酶A被消耗用于柠檬酸盐合成的事实一致。上述结果表明，对乙酰辅酶A调节敏感的功能性丙酸羧化酶对于葡萄膜黑色素瘤等细胞的代谢稳态和氧化呼吸至关重要。（图2）
图2
那么，乙酰辅酶A如何诱导丙酸羧化酶复合物中的生物素羧化稳定呢？研究人员捕获了一系列乙酰辅酶A/丙酸羧化酶复合物的结构，分别纯化了生物素羧化（BC）结构域和羧基转位（CT）结构域。对这些结构的比较分析表明，生物素羧化结构域的稳定性与乙酰辅酶A结合之间存在显著的相关性。进一步的冷冻电镜分析表明，乙酰辅酶A诱导复合物中生物素羧化结构域的稳定，从而形成与天然丙酸羧化酶复合物难以区分的构象。综上所述，该研究结果表明，乙酰辅酶A在生物素羧化的稳定结合中起着中介作用，并有助于形成生物素羧化和PT-CT-BCCP更稳定的结构（图3），乙酰辅酶A在丙酸羧化酶催化转化过程中降低了活化熵并诱导了更有序的热力学构型，这是以前的晶体结构研究无法解释的。
图3：Acetyl-CoA介导BC和PT-CT-BCCP形成更稳定的结构
由于丙酸羧化酶是重要的代谢调控酶，在胰岛素分泌、脂肪生成和神经递质生物合成中起着至关重要的作用，也是肥胖、糖尿病、病毒感染和癌症的重要靶点。鉴于丙酸羧化酶的变构效应在多种疾病的代谢重编程中起着重要作用，丙酸羧化酶与乙酰辅酶A复合物的结构信息在肥胖症、糖尿病、病毒感染和恶性肿瘤的药物研发拥有重要治疗意义。
团队负责人介绍
范先群教授，中国工程院院士，长江学者特聘教授，眼科学专家，上海交通大学讲席教授。现任上海交通大学副校长、上海交通大学医学院院长、中国医院发展研究院院长，上海市眼眶病眼肿瘤重点实验室主任，上海交通大学医学院附属第九人民医院眼科学科带头人。兼任亚太眼肿瘤眼病理学会主席，亚太眼整形外科学会第五届主席，国际眼科科学院院士、英国皇家眼科学院院士和爱丁堡皇家外科学院荣誉院士。荣获两项国家科技进步二等奖（第一完成人），何梁何利科技进步奖，亚太眼科科学院首届创新者大奖、亚太眼科最高学术成就奖De Ocampo Lecture奖。
雷鸣，研究员，博士生导师，上海交通大学医学院精准医学研究院执行院长。长期致力于生物大分子结构和分子机理及其在癌症和衰老中的作用等科研工作，在Cell、Nature、Science等国际顶级学术期刊上发表论文60余篇。
