The landscape of cancer cell line metabolism

代謝組學(xué)、脂質(zhì)組學(xué)

1. CCLE細胞系代謝產(chǎn)物組成

對主要的20種癌癥類型的928種細胞系進行體外培養(yǎng)，并對124種極性和101種脂質(zhì)進行代謝譜分析，樣本分4批進行檢測，使用所有樣本混合作為參考，以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。

使用層次聚類的方法評估細胞系之間代謝物組成的相似性，形成2個主要的簇與造血和非造血譜系密切相關(guān)。為進一步量化代謝物水平 (y) 與主要癌癥譜系 (X) 的關(guān)聯(lián)程度，采用線性回歸模型進行分析。148/225與其有線性關(guān)系，為了獲得譜系的特異性分布，同時評估主要癌癥譜系中每一個代謝物的平均豐度，表明不同模型癌細胞系代謝譜系存在差異。

2. 代謝物與遺傳特征的關(guān)系

癌癥的發(fā)生與發(fā)展除了受代謝物組成變化影響外，遺傳/表觀遺傳變化也可能改變細胞代謝，為了確定是否歸因于遺傳差異的代謝變異，進一步構(gòu)建包括705個基因突變及61個基因擴增/缺失的遺傳特征矩陣。應(yīng)用線性回歸模型揭示這些遺傳特征和代謝物水平之間的關(guān)系。如研究發(fā)現(xiàn)KEAP1突變 (作為遺傳特征) 與谷胱甘肽 (GSH/GSSG) 和NADP+具有顯著的相關(guān)性。平均而言，在具有突變KEAP1的癌細胞株中，這些氧化還原代謝產(chǎn)物的含量約為其對照兩倍。值得注意的是，許多常見的致癌因子如EGFR、KRAS、NRAS、TP53、PTEN、TSC1/2與代謝物組成具有顯著性較弱或無顯著性的相關(guān)性。通過在代謝物和各種遺傳特征之間進行關(guān)聯(lián)分析，證實先前發(fā)現(xiàn)的致癌因子變化 (如IDH1、KEAP1、ME2) 與異常代謝物水平有關(guān)。

圖1 CCLE數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)與遺傳特征相關(guān)的定量代謝組學(xué)建模

3. DNA甲基化調(diào)節(jié)代謝物豐度

通過檢測DNA甲基化評估其與代謝物水平的關(guān)系。在本研究中，2114個基因的mRNA與啟動子CpG甲基化水平顯著相關(guān)：1、DNA的超甲基化可能通過抑制某些代謝物降解途徑影響代謝物水平；如SLC25A20甲基化與長鏈?；鈮A (如烯基肉堿) 的積累密切相關(guān)，其超甲基化與mRNA轉(zhuǎn)錄減少及具有14個、16個或18個碳原子的?；鈮A類物質(zhì)含量顯著升高相關(guān)，但與其他具有較短或較長?；湹孽；鈮A含量無關(guān)；2、DNA超甲基化可能通過限制生物合成途徑來調(diào)節(jié)代謝物水平；如脯氨酸水平降低與Pycr1的超甲基化有關(guān)，Pycr1編碼一種可將吡咯啉-5-羧酸鹽轉(zhuǎn)化為脯氨酸的酶。該部分研究工作評估DNA甲基化對于細胞內(nèi)代謝物濃度的調(diào)控作用。

圖2 代謝產(chǎn)物與DNA甲基化相關(guān)性的系統(tǒng)評價

4. 代謝物依賴關(guān)系分析

代謝依賴性關(guān)聯(lián)分析表明，在癌細胞系中觀察到的不同代謝表型與不同的基因依賴性配對，可能存在潛在的治療靶點。作者重點關(guān)注前3000種依賴基因并突出其與氧化還原平衡、氨基酸和脂類代謝的關(guān)系。氧化還原代謝產(chǎn)物包括 GSH、GSSG 和 NADP+的異常積累與 NFE2L2 (NRF2) 的敲除敏感性增加有關(guān)，其中NFE2L2 是一種參與抗氧化反應(yīng)的轉(zhuǎn)錄激活因子。同時，作者也發(fā)現(xiàn)天冬酰胺水平較低的細胞更依賴于其合成酶 (ASNS) 和 EIF2AK4 (GCN2，參與氨基酸饑餓反應(yīng))。通過關(guān)聯(lián)分析可知體外培養(yǎng)的癌細胞系脂質(zhì)組成具有顯著差異。

圖3代謝依賴關(guān)系的系統(tǒng)評價

5. CCLE細胞系的表型分析

如上所述，低的天冬酰胺表達水平與天冬酰胺合成酶 (ASNS) 缺失的敏感性增加顯著相關(guān)。作者發(fā)現(xiàn)當(dāng)天冬酰胺受限時，ASNS敲減可顯著抑制細胞增殖。一些ASNS啟動子超甲基化的CCLE細胞系具有異常低的ASNS表達 (即使在轉(zhuǎn)錄激活子ATF4存在的條件下)，因此作者推測內(nèi)在甲基化依賴型基因抑制選擇性地針對特定的營養(yǎng)缺乏。為進一步驗證該推論，作者使用24個核苷酸barcodes標(biāo)記的544種CCLE細胞系混合后在氨基酸組成明確的條件下培養(yǎng)，并在處理6天后使用barcode高通量測序的方法評估細胞活力。在實驗中發(fā)現(xiàn)細胞在天冬酰胺限制條件下生長時，具有異常低表達ASNS的那些被選擇性地耗盡。該部分研究工作表明DNA超甲基化影響營養(yǎng)物質(zhì)利用的依賴性，如癌細胞系中天冬酰胺、精氨酸和谷氨酰胺的營養(yǎng)缺陷。

圖4癌細胞系篩查揭示氨基酸代謝營養(yǎng)缺陷

6. 天冬酰胺酶潛在的治療作用

作者在研究中發(fā)現(xiàn)天冬酰胺超甲基化的細胞同時也缺乏蛋白質(zhì)表達，在體外實驗中對天冬酰胺酶具有高度敏感性。為確認該依賴性是否存在于體內(nèi)，作者將2313287 (ASNS high) 或 SNU719 (ASNS low) 細胞皮下植入于裸鼠兩側(cè)；當(dāng)腫瘤體積達100-200 mm3后，腹腔注射天冬酰胺酶，并監(jiān)測腫瘤生長情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)SNU719腫瘤的生長顯著降低，而2313287腫瘤無顯著變化。在TCGA中檢測了胃癌和肝癌的DNA甲基化，發(fā)現(xiàn)其與腫瘤樣本中ASNA表達量降低顯著相關(guān)。以上結(jié)果均表明天冬酰胺酶在體外和體內(nèi)均可通過抑制ASNS表達缺失的癌細胞生長。

圖5天冬酰胺酶對胃癌和肝癌的治療意義

7. CCLE 中的犬尿氨酸代謝分析

除了分析具有營養(yǎng)價值的代謝產(chǎn)物外，作者也探索了信號代謝產(chǎn)物的表達模式，如犬尿氨酸。犬尿氨酸由色氨酸分解代謝產(chǎn)生，通過芳基烴受體 (AHR) 發(fā)揮免疫抑制作用，從而抑制效應(yīng)T細胞增殖，增強調(diào)節(jié)T細胞生成。具有較高胞內(nèi)犬尿氨酸濃度的細胞系具有較高的向胞外分泌活性。

圖6 CCLE中的犬尿氨酸代謝分析

迄今為止，暫無針對不同遺傳背景的多種模型癌細胞系代謝組的系統(tǒng)分析，針對該問題，作者分析了928 種癌細胞系中的 225 種代謝產(chǎn)物，通過大規(guī)模的數(shù)據(jù)采集和分析，系統(tǒng)性研究了代謝物的表達模式，對藥物靶點的篩選具有重要意義。同時，作者也指出在大規(guī)模代謝組學(xué)研究工作中 (本研究工作) 存在一定的局限性：1、生物學(xué)重復(fù)在大規(guī)模代謝組學(xué)研究工作中的重要性 (大部分細胞系僅使用一個生物學(xué)重復(fù))；2、檢測更多的代謝物，全面解析代謝通路 (中科新生命推出的非耙向代謝組學(xué)所使用的自建庫包含2700多種代謝物的標(biāo)準(zhǔn)譜圖)；3、受研究規(guī)模限制，無法使用代謝流的動態(tài)測量，只可檢測代謝物的穩(wěn)態(tài)水平；4、用于組織培養(yǎng)的培養(yǎng)基與體內(nèi)環(huán)境仍然存在顯著差異；因此腫瘤樣本的大規(guī)模代謝組學(xué)分析是下一步研究的重點，相關(guān)問題提出對后續(xù)研究工作具有重要的啟示意義。

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