作为恶性肿瘤的主要特征之一，代谢重编程促进了大量的代谢中间产物的合成来满足其快速生长与增殖的需求，其中就包括作为生命物质基础DNA和RNA的基本构成单位——核苷酸。核苷酸还参与了细胞信号转导等一系列重要的生物学事件。尽管肿瘤细胞可以通过挽救途径合成核苷酸，但是前期研究表明大多数肿瘤细胞中都会发生核苷酸从头合成途径的异常激活【1】。磷酸核糖焦磷酸合成酶1（PRPS1）是调控细胞核苷酸从头合成的关键酶【2】，在细胞内受到多层次的复杂调控，例如AMPK介导的PRPS1 S180位点的磷酸化可以抑制PRPS1酶活性【3】。PRPS1的异常突变和活性改变也与儿童急性淋巴细胞白血病（ALL）复发【4】和遗传性Arts综合征【5】等严重疾病密切相关, 但背后的分子机理还有待研究。

    肿瘤细胞的代谢重编程也包括葡萄糖和谷氨酰胺等代谢通路的异常激活【6,7】，而这两种物质都是细胞内己糖胺生物合成途径（HBP）的重要底物，该途径是产生糖基供体UDP-GlcNAc的关键通路【8】。O-GlcNAc糖基转移酶（OGT）可以利用UDP-GlcNAc在蛋白的丝氨酸或苏氨酸残基上形成O-GlcNAc糖基化修饰。O-GlcNAc修饰已被发现直接调控细胞内多种重要的生物学过程，如细胞代谢等【9】。 O-GlcNAc修饰在多种肿瘤组织中显著上调，与病人的不良预后有关【10】。O-GlcNAc糖基化修饰调控肿瘤发生的分子机制及其与其它人类疾病的关系还不十分清楚。

    美国乔治城大学Lombardi 癌症中心裴华东课题组长期从事糖生物学与人类疾病的研究。裴华东实验室曾在Nucleic Acids Research 杂志上报道OGT和细胞内能量感受器AMPK的交互调控（cross talk）【11】。他们在2017年和国家蛋白质科学中心（北京）秦伟捷课题组合作在Molecular Cell杂志上报道了O-GlcNAc修饰调控Hippo通路激活及肿瘤发生（详见BioArt报道：糖基化修饰调控Hippo通路激活的新机制丨Mol Cell）【12】。2021年，他们再次与国家蛋白质科学中心（北京）秦伟捷团队以及贺福初院士团队等合作在Molecular Cell杂志上发表O-GlcNAc修饰调控细胞脂质从头合成的研究论文（详见BioArt报道：Mol Cell | 裴华东/贺福初/秦伟捷等揭示O-GlcNAc修饰调控细胞脂质从头合成）【13】。

    2023年6月12日，裴华东团队携手武汉大学人民医院肿瘤中心宋启斌团队，在Nature Chemical Biology杂志上发表了题为Direct stimulation of de novo nucleotide synthesis by O-GlcNAcylation的研究论文。报道了肿瘤细胞葡萄糖代谢异常造成的O-GlcNAc修饰增加通过促进PRPS1六聚体形成以及降低ADP/GDP对PRPS1自身的反馈抑制来增强PRPS1的酶活性，进而促进肿瘤细胞的核苷酸合成、肿瘤生长及放化疗抵抗的新机制【14】。

 图1.论文在线截图

    在该研究中，研究人员发现敲低OGT可以显著降低细胞内DNA、RNA和核苷酸从头合成水平，并且这种调控发生在PRPS1 催化的5-磷酸核糖合成5-磷酸核糖-1-焦磷酸这一关键生化反应步骤。接着，通过一系列的生化实验，研究人员证实了PRPS1是糖基转移酶OGT的新底物，并且鉴定到了2个高可信的糖基化修饰位点——S83和T166。一系列精细的实验表明OGT介导的PRPS1糖基化修饰可以促进PRPS1六聚体的形成，降低ADP/GDP对PRPS1酶活性的负反馈抑制，进而增强PRPS1的酶活性。

    AMPK介导的PRPS1的磷酸化修饰位点（S180）与糖基化位点（T66）在空间上相近，那么这两种不同的翻译后修饰之间是否存在交互调控呢？实验表明，PRPS1糖基化修饰与PRPS1 S180位点的磷酸化修饰相互抑制。在AMPK敲除细胞里，OGT介导的PRPS1糖基化修饰仍能调控PRPS1六聚体的形成和酶活性。由此揭示了PRPS1调控网络的精细程度和复杂性，不同的营养信号（如葡萄糖，谷氨酰胺和AMP/ATP）能通过不同的下游信号转导通路和不同的蛋白质翻译后修饰协同调控PRPS1的活性，去控制核苷酸从头合成这一重要的基础的生物学过程。

    体内体外实验还表明PRPS1糖基化修饰可以促进肺癌细胞的生长与增殖以及放化疗抵抗。抑制PRPS1的O-GlcNAc修饰可以使化疗耐药细胞从新对治疗变得敏感。

    最后，研究人员在Arts综合征的两个家系中鉴定到了一个PRPS1突变体R196W。PRPS1 R196W突变体与OGT的相互作用减弱，糖基化水平和酶活性显著降低。这些结果暗示PRPS1的糖基化修饰与Arts综合征密切相关。 

图2：O-GlcNAc调控核苷酸从头合成的工作模式图

    总之，该研究一方面揭示了葡萄糖代谢异常造成的O-GlcNAc修饰增加促进肿瘤细胞核苷酸从头合成与肿瘤生长、放化疗抵抗的分子机制，OGT介导的PRPS1糖基化与AMPK介导的PRPS1磷酸化互相抑制，提示靶向PRPS1这两种翻译后修饰治疗肿瘤的可能性；另一方面证实了PRPS1糖基化修饰与Arts综合征密切相关，提示PRPS1糖基化修饰可能成为干预Arts综合征的靶点。

    武汉大学人民医院肿瘤中心青年医师陈露露博士为该论文的第一作者。裴华东和宋启斌为并列通讯作者。该工作得到了武汉大学人民医院张平锋教授，美国乔治城大学马俊峰教授和 Gary M Kupfer教授及美国国家儿童医院裴颜欣教授团队的大力支持。

裴华东课题组主要研究方向：

1）基因组稳定性与肿瘤发生；
2）糖脂生物学和人类疾病。

  近几年在Molecular Cell (2016, 2017, 2021), Nature Communications (2016, 2019), EMBO J (2020) ， Advanced Science (2021), Nature Chemical Biology (2023) 等杂志上发表文章。课题组现招聘博士后及访问学者，拥有DNA损伤修复、肿瘤免疫微环境、肿瘤代谢、分析化学、化学生物学或质谱研究背景者优先。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41589-023-01354-x

                https://www.nature.com/articles/s41589-023-01354-x 

参考文献：

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[4] Li, B. et al. Negative feedback-defective PRPS1 mutants drive thiopurine resistance in relapsed childhood ALL. Nat Med 21, 563-571, doi:10.1038/nm.3840 (2015).

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