01 文章导读

G蛋白偶联受体（GPCRs）是最大的膜蛋白家族与核心药物靶点，近年研究发现部分内膜GPCR可在胞内细胞器持续传导信号，但其亚细胞转运的生理病理机制仍未明确。GPR15是同时定位于质膜与胞内的A类GPCR，既往研究多聚焦其质膜的免疫调控功能，虽发现其与结直肠癌进展相关且存在功能二重性，但其内膜定位的功能、在癌细胞中的细胞自主作用尚未被探究。

上海交通大学杨正峰团队等在Cancer Research发表题为“Subcellular Redistribution of Endomembrane GPR15 Promotes NAD+-Mediated Metabolic Reprogramming and Boosts 5-FU Chemosensitivity in Colorectal Cancer”的研究论文。本研究通过多组学技术，解析了高尔基体定位的GPR15向线粒体重分布的时空动态，证实该过程可协调亚细胞串扰，以NAD+依赖的方式增强中心碳代谢，驱动结直肠癌代谢重编程并增强5-FU化疗疗效，为靶向肿瘤空间代谢依赖性提供了依据。

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02 研究内容及结果

1. GPR15 高尔基体定位增强结直肠癌 5-FU 化疗敏感性

实验发现GPR15主要定位于高尔基体，在线粒体和内质网中分布极少，且与溶酶体无关联。通过在内源性高表达GPR15的SW48细胞中进行验证，也观察到相似的定位模式，并同时确认了其在线粒体中的明确分布，表明高尔基体和线粒体是GPR15在结直肠癌细胞中发挥功能的主要细胞器。

临床相关性研究表明，在结直肠癌进展过程中，GPR15的表达呈进行性下调，其缺失会显著损害内源性高表达GPR15的癌细胞的存活能力。对过表达GPR15的患者来源类器官进行RNA测序分析发现，核糖体生物合成相关通路和多种代谢通路被激活。

在化疗药物筛选中，GPR15能特异性增强结直肠癌细胞对5-氟尿嘧啶（5-FU）的化疗敏感性；反之，GPR15缺失则会削弱5-FU的疗效。进一步的机制研究表明，GPR15通过双向调控核糖体生物合成——即在基础状态下增强蛋白质合成，而在5-FU存在时选择性抑制该通路——从而使肿瘤细胞进入一种化疗易感状态。体内实验证实同样证实GPR15过表达能显著增强5-FU的抗肿瘤效果。

图1 GPR15 高尔基体定位增强结直肠癌 5-FU 化疗敏感性

2. GPR15-MGST1 互作介导线粒体重定位是 5-FU 化疗增敏的关键

研究发现，5-FU处理能特异性诱导GPR15从高尔基体驻留池中分散出来，而破坏高尔基体结构则会同时扰乱GPR15的空间组织并完全消除其增敏5-FU的活性，表明GPR15的动态易位是其功能发挥的前提。进一步的时空动态分析显示，5-FU诱导GPR15向线粒体和内质网转位。通过IP-MS技术筛选，鉴定出线粒体蛋白MGST1是GPR15的关键相互作用蛋白，且这种互作在高尔基体结构被破坏时会减弱。亚细胞分级分离表明GPR15-MGST1复合物主要定位于线粒体。GPR15通过抑制溶酶体降解来稳定MGST1蛋白，而MGST1则负责维持GPR15在线粒体的正确定位。线粒体邻近标记技术直接证实MGST1能将GPR15富集至线粒体。遗传学实验证明，MGST1的缺失会完全消除GPR15增强的5-FU化疗敏感性，确认其是不可或缺的辅助因子。临床数据分析显示，GPR15与MGST1同时高表达的患者总生存期显著优于低表达组。

3. GPR15 可正向调控以中心碳代谢为核心的代谢网络活性

非靶向代谢组学分析发现5-FU会诱导结直肠癌细胞发生全局性代谢抑制，而GPR15过表达可逆转这种抑制，并显著激活中心碳代谢通路。这种代谢重编程特异地增强了丝氨酸驱动的一碳代谢和嘌呤生物合成途径。相反，GPR15缺失则引起相反的代谢变化，导致中心碳代谢、磷酸戊糖途径等通路下调。药理学和代谢实验表明，GPR15依赖性的5-FU疗效增强严格依赖于完整的中心碳代谢系统。[13C6]-glucose同位素示踪分析显示，GPR15过表达优先将葡萄糖来源的碳原子导向丝氨酸和一碳代谢途径，并加速糖酵解代谢以支持下游合成过程。这种代谢重构选择性地增强了嘌呤生物合成，加速了AMP、ADP、ATP、腺苷和IMP等代谢池的周转，但不对鸟嘌呤核苷酸代谢产生影响。这些结果表明GPR15通过丝氨酸介导的一碳代谢加速葡萄糖利用，从而促进IMP合成并绕过鸟嘌呤核苷酸的生成。GPR15通过将葡萄糖碳代谢流导向该通路，增强了5-FU针对核苷酸生物合成的抗代谢活性。

图2 GPR15 可正向调控以中心碳代谢为核心的代谢网络活性

4.  GPR15 特异性调控 NAD+/NADH 丰度、线粒体 NAD + 累积与代谢重编程

尽管GPR15激活了丝氨酸和一碳代谢，但相关代谢酶的靶向定量分析并未显示显著上调。非靶代谢组学再评估揭示了广泛的代谢重塑，包括糖酵解增强、氧化磷酸化加速和脂质蓄积增加。鉴于NAD+/NADPH氧化还原对在代谢整合中的核心作用，氧化还原谱分析结果表明，GPR15通过介导NAD+积累和NADH放大了NAD+/NADH比值，且不依赖于NADPH池。亚细胞分级分离进一步证实GPR15富集了线粒体NAD+。通过LbNOX方法（基因编码的氧化还原调控工具）人为增加细胞内NAD+丰度，可特异性增强5-FU疗效，其效果与GPR15过表达类似。 

药理性高尔基体破坏（BFA）和MGST1缺陷均消除了GPR15驱动的线粒体NAD+积累，证实细胞器限制性运输是线粒体NAD+积累的先决条件。MGST1缺失会导致整体代谢崩溃，在MGST1缺陷细胞中，GPR15仍能部分激活胞质碳代谢，但线粒体代谢水平（尤其是TCA循环中间产物）选择性降低。代谢组学分析显示，MGST1缺失逆转了GPR15介导的葡萄糖代谢重定向，并使碳水化合物代谢恢复正常。

图3 GPR15 特异性调控 NAD+/NADH 丰度、线粒体 NAD+ 累积与代谢重编程

5. GPR15 与 PARP4 互作并抑制其酶活性以促进 NAD + 累积进而调控代谢重编程

IP-MS 与 Co-IP 证实 GPR15 与 PARP4 特异性相互作用，且胞质 PARP4 与高尔基体锚定的 GPR15 部分共定位，表明 PARP4 是空间受限的 NAD+调节器。PARP4 缺陷与 GPR15 过表达效应一致，证实 GPR15 负调控 PARP4 酶活性。GPR15 过表达细胞中，单 ADP 核糖基化修饰水平降低，PARP4 底物核糖基化作用减弱，而 PARP4 过表达可抵消 GPR15 诱导的 MARylation 抑制。这表明 GPR15-PARP4 复合物阻碍 PARP4 催化活性，隔离 NAD+阻止其用于 MARylation，驱动代谢重编程。

非靶向代谢组学分析证实 PARP4 在 GPR15 驱动代谢重塑中起关键作用，PARP4 过表达可逆转 GPR15 诱导的代谢物变化，降低相关代谢通路排名。功能验证表明，标准化后的 GPR15 可增强糖酵解和氧化磷酸化，PARP4 过表达能减弱 GPR15 增强的 5-FU 化疗敏感性。临床相关性分析发现，GPR15 和 PARP4 同时高表达与生存结局改善相关。这些发现证实 PARP4 是 GPR15 介导化学增敏作用的代谢调控因子，通过以 NAD+为中心调控合成代谢通量发挥作用。

图4 GPR15 与 PARP4 互作并抑制其酶活性以促进 NAD+ 累积进而调控代谢重编程

6. GPR15 介导的代谢重编程依赖 Gαq

实验发现，只有抑制Gαq（而非其他G蛋白）才能消除GPR15对5-FU的增敏效果。失活的Gαq突变体会破坏GPR15在高尔基体的定位，导致其无法与关键蛋白MGST1结合，进而使整个下游信号崩溃：线粒体NAD+无法积累，PARP4酶活性恢复，代谢重编程被完全逆转。代谢组学分析证实，Gαq是整合GPR15所有代谢效应的核心枢纽，它通过调控丝氨酸一碳代谢来重新分配碳流。因此，Gαq是启动GPR15-PARP4-MGST1这条“代谢重编程-化疗增敏”轴线的总开关和空间组织者。

7. 卢卡帕利联合 5-FU 对结直肠癌具有协同治疗效应

基于GPR15调控5-FU化疗敏感性的机制，本研究通过临床样本验证发现GPR15高表达肿瘤细胞对5-FU更敏感，由此提出通过药理提升NAD+水平复刻GPR15效应的治疗策略。经实验明确临床获批的PARP抑制剂卢卡帕利与5-FU具有稳定强效的协同抗肿瘤效应，且不受MGST1状态影响，是最具临床转化潜力的候选药物。卢卡帕利可选择性放大5-FU的分子效应，联合治疗可抑制核糖体生物发生与线粒体代谢，复刻GPR15介导的代谢脆弱性特征，规避5-FU长期治疗的获得性耐药；代谢组学证实联合治疗可特异性激活中心碳代谢、一碳代谢与嘌呤合成通路，与GPR15介导的代谢特征高度契合，最终证实卢卡帕利可作为强效化疗增敏剂，克服结直肠癌对5-FU的内源性与适应性耐药。

03 研究结论

1. GPR15是定位于内膜系统的新型化疗增敏调节因子

GPR15主要定位于高尔基体，在5-FU刺激下可动态易位至线粒体。临床分析显示，GPR15在结直肠癌进展中表达下调，其高表达与患者良好预后相关。

2. GPR15的功能依赖于完整的亚细胞定位与转运机制

MGST1作为关键导航蛋白介导GPR15从高尔基体向线粒体的转运，两者形成相互稳定的复合物。Gαq蛋白通过维持GPR15在高尔基体的正确定位，启动整个信号复合体的组装。抑制Gαq会完全破坏GPR15的定位、互作与功能。

3. GPR15通过抑制PARP4驱动NAD+依赖性代谢重编程

GPR15通过抑制PARP4，导致细胞内（尤其是线粒体内）NAD+水平升高。升高的NAD+将细胞代谢流导向中心碳代谢→丝氨酸/一碳代谢→嘌呤合成这一特定路径，使癌细胞处于核苷酸合成高度活跃的状态。5-FU作为抗代谢药，对此状态下的细胞造成毁灭性打击。

4. PARP抑制剂成为有效的化疗增敏剂

卢卡帕利（PARP抑制剂）能够选择性放大5-FU的分子作用，迫使癌细胞陷入与GPR15过表达类似的代谢脆弱状态，同时预防了长期5-FU单药治疗导致的代谢适应性耐药。