Cell reports | 【肿瘤异质性】：“荧光生物传感器 代谢组学 活体成像”以单细胞分辨率描...
导读
背景：肿瘤内异质性为我们对癌症生物学和癌症治疗的理解提出了挑战。肿瘤内异质性可以体现在许多水平上，包括基因组中的突变和结构变化，染色质修饰的表观遗传变异以及局部环境。肿瘤内的不同癌细胞可以以不同的代谢状态存在。但是，很难观察到代谢肿瘤内异质性和代谢状态之间的细胞转变。诸如18F-FDG PET / CT和超极化磁共振成像（MRI）的成像方式可以区分肿瘤的代谢状态，但它们缺乏研究细胞水平异质性的分辨率。在这一水平上的异质性和代谢状态之间的切换对靶向疗法提出了挑战，包括直接靶向代谢调节的靶向疗法和靶向控制代谢程序的上游信号疗法。
肿瘤中的糖酵解经常被上调，导致细胞增殖所需的代谢中间体的生物合成增加，并且可能由磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）信号转导所驱动。在正常生理中，PI3K信号传导将环境提示与细胞代谢变化耦合，并由AKT起作用以增强糖酵解通量。然而，在肿瘤中，PI3K信号通过激活突变的获得，负调控磷酸酶PTEN的失活突变的升高或由于受体酪氨酸激酶信号的增强而升高。 PI3K激活在肿瘤中的高流行率导致了PI3K抑制剂的发展，最近监管部门批准了两种雌激素受体阳性（ER ve）乳腺癌中的PI3K抑制剂。认为PI3K抑制剂的功效至少部分是通过抑制糖酵解途径的PI3K依赖性步骤和限制葡萄糖通量来实现的，其中在ER ve乳房中观察到的氟脱氧葡萄糖-正电子发射断层显像（FDG-PET）摄取减少PI3K抑制剂alpelisib治疗的癌症患者。但是，PI3K抑制剂很少导致完全的临床反应，部分反应和稳定的疾病更为典型。癌细胞的外在影响（例如胰岛素的系统性增加）以及癌细胞之间的细胞间异质性都可能是限制治疗效果的因素，其中一种可能性是，通过调节糖酵解，一部分细胞在PI3K途径抑制下持续存在通过其他机制。它们可能包括最近报道的肌动蛋白动力学与糖酵解或环境因素之间的联系，例如缺氧和底物硬度。
方法：报告代谢物水平的荧光生物传感器的发展提供了一个以单细胞分辨率研究异质和波动代谢状态的机会。在这项工作中，研究人员寻求通过使用荧光生物传感器，代谢组学和活体成像的综合方法，以单细胞分辨率描述ER ve乳腺癌代谢状态的异质性。
亮点：
葡萄糖生物传感器揭示体内细胞间代谢异质性
单细胞剂量反应曲线揭示PI3K与糖酵解的可变耦合
调节cofilin结合增加细胞密度与代谢变化
代谢状态可通过有丝分裂遗传
小结：Kondo等人通过使用生物传感器揭示了乳腺癌的代谢异质性，包括PI3K与糖酵解的可变偶联。 葡萄糖水平通过cofilin与细胞密度相关联，从而能够通过迁移细胞增加摄取。 高葡萄糖细胞在没有丙酮酸的情况下生长缓慢，但可被其他癌细胞或基质成纤维细胞拯救。
论文ID
原名：Single-cell resolved imaging reveals intra-tumor heterogeneity in glycolysis, transitions between metabolic states, and their regulatory mechanisms
译名：单细胞分辨成像显示糖酵解中的肿瘤内异质性，代谢状态之间的过渡及其调节机制
期刊：cell reports
IF: 8.109
发表时间：2021.02.16
发表单位：英国伦敦弗朗西斯·克里克研究所肿瘤细胞生物学实验室
原文链接：https://www.cell.com/cell-stem-cell/pdfExtended/S1934-5909(20)30539-7
封面：
内容：
在这项工作中，研究人员揭示了乳腺癌代谢状态下细胞间的异质性是如何由PI3K信号传导，染色质状态和肌动蛋白动力学的综合变化产生的。
以前，荧光生物传感器已用于对代谢紊乱以及体内的代谢特征进行高含量筛选。但是，这些工具提供的一项尚未开发的功能是能够执行纵向单细胞分析。
使用AKT生物传感器和AMPK FRET生物传感器的多重成像的先前工作表明，细胞的高能状态与AKT活性同步。通过将FRET成像与传统的新陈代谢读数相结合，研究人员已经获得了对细胞状态异质性及其在统一条件下培养的乳腺癌细胞内的可塑性的多参数见解。他们证明了代谢状态是一种遗传性状。遗传力的基础很可能是表观遗传调控，而溴结构域阅读器起着关键作用。先前的工作表明bromodomain功能与PI3K活性协同调节糖酵解。但是，需要进行其他分析才能确定此机制在我们的系统中是否相关。数据仅证明具有高溴结构域功能的一部分乳腺癌细胞对PI3K信号传导的抑制是完全难治的。
因此，PI3K和bromodomain功能的联合靶向具有两个好处：它减少了关键PI3K调节子的表达，并且靶向由非PI3K机制驱动的具有高糖酵解作用的细胞亚群。后一种机制还可以解释高葡萄糖和低葡萄糖FRET细胞之间PI3K活性的适度差异。如表观遗传调控所预期的那样，化学扰动和变化的细胞内葡萄糖水平之间的时间联系表现出很长的延迟-在24小时范围内。相反，PI3K活性和肌动蛋白动力学的扰动会在30分钟内影响细胞内葡萄糖。
肌动蛋白的动力学至关重要地依赖于ATP，无论是肌动蛋白的跑步周期还是肌球蛋白的功能。人们日益认识到，肌动蛋白动力学还在糖酵解的各个步骤中提供了调节输入。此外，随着癌细胞产生ATP来塑造和分解细胞外基质，物理障碍改变了代谢要求。在这项工作中，我们表明cofilin活性对于高细胞内葡萄糖水平至关重要。此外，随着细胞融合和细胞内葡萄糖水平下降，cofilin活性降低。通过在体外产生划痕或伤口来减轻对高融合度的限制，触发了向具有高葡萄糖摄取率的高葡萄糖状态的转变。这种上调的机制尚不清楚，但可能包括在迁移前沿增加PI3K信号传导，从而促进GLUT1和GLUT4转运至质膜，或者只是迁移细胞的较大膜面积，有利于葡萄糖摄取。将来，进一步研究这些可能性将很有趣。在这项研究中，我们观察到上皮伤口测定中的边缘以及肿瘤边界是代谢转变的位点，PI3K信号传导升高，癌细胞密度降低，有利于高葡萄糖状态。
与体内情况相似，在伤口检测中抑制PI3K信号传导会导致更少和分布更分散的高葡萄糖细胞。在这部分细胞中，高葡萄糖水平是由溴结构域功能驱动的。 PI3K和溴结构域抑制的组合有效地靶向所有癌细胞。有趣的是，与单独靶向任一机制相比，将PI3K抑制与肌动蛋白摄动相结合提供的优势相对较小。尽管我们的数据不支持PI3K在cofilin调节的上游或相反的观点，但如果PI3K信号传导和cofilin的功能都影响糖酵解的同一调节步骤，则可以解释这些数据。在一起，我们的数据和其他数据支持潜在的收敛机制，包括GLUT1和FAK，而且分别支持醛缩酶A和磷酸果糖激酶的定位和稳定性。尽管迁移细胞中肌动蛋白依赖性葡萄糖的摄取增加，但伤口边缘的细胞仍会承受较高的能量负荷，ATP水平较低，AMPK活性增加。因此，葡萄糖摄取的增加不能完全补偿迁移细胞增加的能量需求。
总结：
已经提出代谢状态下的细胞间异质性会影响许多癌症表型，包括对靶向治疗的反应。在这里，研究人员跟踪单个PIK3CA突变型乳腺癌细胞中代谢状态的转变和遗传力，确定非遗传糖酵解异质性，并建立在依赖于大量分析方法的观察结果的基础上。在体外和肿瘤中使用荧光生物传感器，他们已经确定了其糖酵解和线粒体代谢受磷脂酰肌醇3激酶（PI3K）信号传导，溴结构域活性和细胞拥挤作用组合调控的细胞的不同亚群。肌动蛋白切断蛋白cofilin以及PI3K调节葡萄糖代谢的快速变化，而用bromodomain抑制剂治疗会缓慢消除糖酵解活性独立于PI3K的细胞亚群。他们展示了bromodomain功能和PI3K信号传导，以及肌动蛋白重塑如何独立调节糖酵解以及靶向这些途径如何影响癌细胞的不同亚群。