Cancer Cell：曹雪涛院士团队揭示肿瘤相关巨噬细胞中葡萄糖代谢的增加可促进癌症转移

导读

代谢重编程广泛参与宿主与肿瘤之间的相互作用，并可决定肿瘤的进展和预后。长期以来，肿瘤细胞一直被认为是肿瘤微环境（TME）中葡萄糖的主要消耗者，在有氧糖酵解过程中产生乳酸。其中，髓系细胞，特别是肿瘤相关巨噬细胞（TAMs），在 TME 中消耗最多的葡萄糖，这表明巨噬细胞代谢需要更多葡萄糖的利用。

己糖胺生物合成途径（HBP）是糖代谢的主要途径，可合成核苷酸糖 UDP-GlcNAc，随后用于调节营养感知和应激反应的细胞内蛋白质的翻译后修饰——O-GlcNAc 糖基化修饰（O-GlcNAcylation）。有研究指出，O-GlcNAcylation 可调节巨噬细胞在病原体感染和炎症中发挥重要作用。然而，O-GlcNAcylation 是否以及如何促进 TAMs 的极化和对肿瘤进展的功能尚不清楚。

2022 年 9 月 8 日，曹雪涛院士领衔的团队在 Cancer Cell 发表了题为 Increased glucose metabolism in TAMs fuels O-GlcNAcylation of lysosomal Cathepsin B to promote cancer metastasis and chemoresistance 的研究文章。本研究解析了 M2 样 TAMs 对葡萄糖是否高度依赖，以及葡萄糖代谢是如何反过来建立 M2 样 TAMs 的促肿瘤功能。

研究结果表明，M2 样 TAMs 在 TME 中具有最强大的葡萄糖摄取能力，葡萄糖代谢促进溶酶体包裹的蛋白酶组织蛋白酶 B 的 O-GlcNAc 糖基化修饰，以此提高巨噬细胞中组织蛋白酶 B 的成熟及其在 TME 中的分泌，促进癌症转移和化疗耐药。总之，该研究揭示了糖代谢在促肿瘤 TAMs 中的机制和潜在临床意义。

图片来源：Cancer Cell

主要研究内容

M2 样 TAMs 在 TME 中具有较高的葡萄糖摄取能力

为了鉴定 TAMs 中特异表达的基因，他们对其进行了单细胞转录组测序（scRNA-seq）。通过细胞聚类分析，他们区分了浸润性单核细胞、M1 样和 M2 样巨噬细胞，以及髓系祖细胞。他们注意到 Slc2a1（也被称为 Glut1）在 M2 样 TAMs 中特异性高表达，Glut1 是巨噬细胞中主要的葡萄糖转运蛋白。此外，与腹膜和脾脏巨噬细胞和外周血单核细胞相比，TAMs 在体外和体内的葡萄糖摄取能力最高。这些结果表明，TAMs，尤其是表达高水平 Glut1 的 M2 样 TAMs，在 TME 中具有更强的葡萄糖摄取能力以发挥其促肿瘤功能。

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葡萄糖的摄取提高了 M2 样 TAMs 的 O-GlcNAc 糖基化修饰

在分析 M2 样巨噬细胞与 M1 样巨噬细胞和单核细胞相比高表达的代谢酶时，他们发现了 HK1/2，它可催化糖酵解的限速步骤。在指示葡萄糖代谢途径中的限速酶中，HK、GPI、GFAT、OGT 在 M2 样 TAMs 中同样高表达，表明在 M2 样 TAMs 中 HBP 和 OGT 介导的蛋白 O-GlcNAc 糖基化修饰活性增加。

他们也通过实验进行了验证，发现与肿瘤内单核细胞和 M1 样 TAMs 相比，M2 样 TAMs 细胞裂解液中 OGT 和 O-GlcNAcylation 的 mRNA 和蛋白水平更高。

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随后，他们研究了 TAMs 对葡萄糖的摄取是否与它们较高的 O-GlcNAcylation 水平有关。利用泛葡萄糖转运蛋白（GLUT）抑制剂 DRB18 对葡萄糖摄取的抑制显著降低了 O-GlcNAcylation 的水平，腹腔注射 DRB18 也能显著降低 TAMs 中 O-GlcNAcylation 的水平。这些结果表明，TAMs 对葡萄糖的摄取，主要是通过 HBP 途径和 O-GlcNAcylation。

此外，在 IL-4 处理的骨髓源性巨噬细胞（BMDMs）中，Glut1、OGT 和 O-GlcNAcylation 水平显著升高，提示 IL-4 可能参与重塑 M2 样 TAMs 中的葡萄糖代谢和 O-GlcNAcylation 反应。

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巨噬细胞 OGT 通过升高 TME 组织蛋白酶 B 水平促进肿瘤转移

前期的研究结果表明，组织蛋白酶 B（CTSB）可以促进肿瘤转移，而 TAMs 可能是 TME 中高水平 CTSB 的来源。他们也的确观察到，与其他肿瘤细胞相比，巨噬细胞中 CTSB 表达量最高，根据 scRNA-seq 数据，M2 样 TAMs 中 CTSB 表达最多。

研究中发现，缺乏 OGT 的 M2 样巨噬细胞促进肿瘤细胞侵袭的能力较低，但当 CTSB 被抑制或敲除时，在细胞缺失 OGT 时不能进一步降低肿瘤细胞的侵袭；而在条件培养液中补充重组 CTSB 则可以挽救巨噬细胞中 OGT 缺乏导致的肿瘤细胞侵袭率的降低。

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然后，他们研究了 OGT 在小鼠体内促进肿瘤生长和转移的作用。他们发现巨噬细胞特异性缺乏 OGT 对体内肿瘤生长没有显著影响。然而，与对照组相比，巨噬细胞中 OGT 的缺失则可显著抑制肺转移，并可导致荷瘤小鼠的生存时间延长。此外，在切除原发肿瘤后，OGT 缺乏的荷瘤小鼠比对照组小鼠的生存率更高。这些结果表明，巨噬细胞中 OGT 丢失引起的肿瘤转移减少可以延长荷瘤小鼠的生存期。

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巨噬细胞 OGT 通过维持高组织蛋白酶 B 水平导致化疗耐药

最后，为了提高研究结果的临床相关性，他们测定了肿瘤患者中 OGT 和 CTSB 水平与化疗反应的相关性。结果发现 TME 中高表达 OGT 的 TAMs 比例与 CTSB 水平呈正相关，而且高比例的 TAMs、OGT 或高水平的 CTSB 的患者在以奥沙利铂为基础的新辅助化疗后，总生存期显著缩短。这些结果表明，TAMs 中的 OGT 通过促进 CTSB 的成熟而产生化疗耐药。

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结语

综上所述，在这项研究中，TME 中的 TAMs，尤其是 M2 样巨噬细胞，具有较高的葡萄糖摄取和利用能力，葡萄糖摄取增加可增强己糖胺生物合成途径（HBP）的活性，增强 TAMs 中组织蛋白酶 B 的成熟及其在 TME 中的分泌，从而促进肿瘤转移和化疗耐药，以此揭示了 TAMs 中葡萄糖利用的生物学和临床意义。

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此外，他们的研究数据还表明，除了促进肿瘤转移和化疗耐药外，巨噬细胞 M2 极化过程中葡萄糖摄取促进的蛋白 O-GlcNAc 糖基化修饰可能在建立 M2 样巨噬细胞的细胞特异性功能中发挥更重要的作用，而不仅仅局限于肿瘤免疫。

本研究涉及的蛋白质组学数据也为未来研究 O-GlcNAc 糖基化修饰在慢性病原体感染和疾病进展中，对建立巨噬细胞的功能特征和调节免疫细胞亚群的作用提供了线索。