2022年7月25日，生命科學學院周如鴻教授團隊和易文教授團隊合作在生物化學及分子生物學高影響力期刊Nature Chemical Biology上發表了題為“O-GlcNAcylation promotes pancreatic tumor growth by regulating malate dehydrogenase 1”的研究論文，揭示了O-GlcNAc糖基化調控PDAC細胞生長的新機制，并解釋了糖基化增強MDH1活性的分子機理。這一發現對胰腺癌藥物的研發具有潛在的指導意義。
胰腺癌是一種惡性程度極高的消化系統腫瘤，確診后患者的五年生存率僅為10%左右。代謝改變是腫瘤細胞的重要標志之一。腫瘤細胞通過代謝重編程產生快速增殖所需的物質、能量以及氧化還原力。癌基因Kras激活的胰腺導管腺癌（PDAC，胰腺癌中最常見的病理類型）細胞高度依賴一種特殊的谷氨酰胺（Gln）分解代謝途徑。在該途徑中，Gln首先被轉化成天冬氨酸（Asp），隨后在谷草轉氨酶（GOT1）催化下形成草酰乙酸（OAA），OAA經蘋果酸脫氫酶（MDH1）催化進一步被轉化為蘋果酸（Malate），Malate被蘋果酸酶（ME1）氧化最終形成丙酮酸（Pyruvate）和還原型輔酶Ⅱ（NADPH），后者能提供還原當量，維持細胞內氧化還原平衡。該途徑對于PDAC細胞增殖至關重要，因此深入了解這一途徑的調控機制有助于為PDAC的臨床治療提供新的思路和靶點。
O-GlcNAc糖基化修飾是通過N-乙酰葡糖胺以β-糖苷鍵形式共價連接到蛋白質的絲氨酸（Ser）或蘇氨酸（Thr）羥基上的一種翻譯后修飾。該修飾是一種高度動態的修飾方式，會隨著細胞內的營養狀態和細胞外的刺激發生快速的變化。該修飾廣泛發生在細胞內的蛋白上，并調控基因轉錄、信號傳導、蛋白合成和代謝重編程等重要的生物學過程。之前的研究表明Kras激活突變促進了細胞的O-GlcNAc 糖基化修飾，并且O-GlcNAc 糖基化修飾水平的異常與PDAC的發生發展有著密切的關系。然而O-GlcNAc 糖基化調控PDAC增殖和成瘤的分子機制有待進一步研究。易文教授課題組研究發現糖基轉移酶OGT的表達在胰腺癌病人組織中顯著升高，敲低OGT顯著抑制了PDAC細胞的Gln代謝，從而抑制了PDAC細胞增殖。進一步研究發現O-GlcNAc修飾通過調控Gln代謝途徑中的關鍵酶MDH1來促進PDAC細胞增殖。他們通過高分辨質譜結合點突變的方法鑒定出Ser189位為MDH1的糖基化修飾位點。體外酶活實驗表明MDH1 Ser189位上的糖基化可以增強其酶活性。靶向代謝組學實驗證實了MDH1糖基化促進Gln代謝和NADPH的產生。此外，MDH1參與細胞內協調糖酵解和線粒體呼吸作用的蘋果酸-天冬氨酸穿梭途徑，MDH1糖基化會導致有效的NADH再生，從而促進了線粒體呼吸。小鼠體內成瘤實驗和臨床樣本分析也進一步驗證了MDH1 Ser189位的糖基化修飾對PDAC生長的促進作用。
圖1：MDH1 Ser189位的糖基化修飾促進了其酶活以及PDAC生長
為了進一步了解O-GlcNAc糖基化增強MDH1蛋白酶活性的分子機制，周如鴻教授團隊利用全原子分子動力學模擬對MDH1單體-底物（NADH，MAK）復合物在Ser189糖基化和非糖基化形式下的動力學行為進行了探究。結果表明底物在糖基化情況下更加穩定，結合概率更高。這得益于Ser189 O-GlcNAc對底物結合口袋的保護，促使MDH1與底物，底物與底物之間相互作用增強。通過進一步檢查結構細節，他們發現MDH1和底物之間增強的相互作用主要來自Ser189 O-GlcNAc與蛋白殘基Gln228、Gln229和Arg98的接觸貢獻。相應的三聯體突變（Q228A/Q229A/R98A）活性分析實驗也證實了這一觀察結果。此外，與單體不同，MDH1二聚體在非糖基化和糖基化形式下的底物結合并沒有表現出顯著差異。這可能是由于參與底物結合口袋的螺旋區域受到了二聚體界面相互作用的約束，不似單體中那樣靈活，Ser189 O-GlcNAc難以對其產生顯著影響。總的來說，他們發現Ser189 O-GlcNAc可以充當“分子膠”的作用，通過穩定MDH1單體上的底物結合口袋，增強蛋白與底物，底物與底物之間的相互作用，來提高底物的結合及穩定性，最終促進MDH1的酶活性。
圖2：MDH1 Ser189位上的O-GlcNAc糖基化促進其酶活性的分子機理揭示
綜上所述，該研究揭示了OGT-MDH1軸在PDAC發生和發展過程中的主要功能。鑒于MDH1在PDAC中高表達，且MDH1糖基化水平與PDAC進程呈正相關，該研究成果的發現強調了干預MDH1糖基化可以作為治療PDAC的潛在策略。
圖3：MDH1糖基化調控PDAC生長的工作模式圖
浙江大學生命科學學院博士后朱強和博士后周紅為論文的第一作者（并列），周如鴻教授和易文教授為論文的通訊作者，王勇研究員也參與了這項工作。這項工作是糖化學生物學、腫瘤生物學和計算生物學多學科領域交叉融合的研究成果，得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、國家自主創新示范區上海張江重大專項、浙江大學癌癥研究院團隊培育項目、浙江大學上海高等研究院繁星科學基金等資助。