01 文章导读

(1) 领域基础知识

细胞代谢是生命活动的核心。为了生存和增殖，细胞需要从环境中获取各种营养物质，并将其转化为能量和构建细胞结构的原材料。这种根据环境变化调整自身代谢途径的能力，被称为“代谢可塑性”。在众多营养物质中，谷氨酰胺是一种非常特殊的氨基酸。它是血液中最丰富的氨基酸，也是培养细胞中消耗量最大的氨基酸之一。谷氨酰胺不仅是合成蛋白质的原料，更重要的是，它能为细胞提供“碳骨架”和“氮源”。碳骨架可以进入细胞参与三羧酸循环，为细胞产生能量并合成其他氨基酸；氮源则对合成DNA、RNA等遗传物质至关重要。然而，许多癌细胞表现出对谷氨酰胺的异常依赖，即使在没有谷氨酰胺的环境中就无法存活和增殖，这种现象被称为“谷氨酰胺成瘾”。这被认为是癌细胞的一个致命弱点，有可能成为治疗癌症的新靶点。

(2) 研究的主要背景

尽管谷氨酰胺成瘾现象在多种癌症中被观察到，但其背后的根本原因和分子机制尚不完全清楚。一个核心问题是：细胞到底是因为缺乏谷氨酰胺的“碳”还是“氮”而死亡？此外，虽然之前的研究发现了一些代谢途径（如丙酮酸羧化、天冬酰胺合成）可以帮助细胞在缺乏谷氨酰胺时存活，但我们仍然缺乏一个系统、全面的视角，来理解究竟是哪些营养物质和基因通路共同决定了细胞在谷氨酰胺匮乏环境中的命运。

来自瑞士洛桑大学生物与医学院免疫生物学系的Alexis A. Jourdain在Molecular Cell期刊发表题为Functional nutrient-genetic profiling reveals that biotin and FBXW7are essential to bypass glutamine addiction的文章。研究发现，维生素生物素能够通过激活丙酮酸羧化酶（PC），使细胞绕过对谷氨酰胺的依赖；同时揭示了肿瘤抑制因子FBXW7促进丙酮酸回补反应的作用机制。

02 研究内容及结果

1.谷氨酰胺依赖性的系统性研究

为揭示谷氨酰胺成瘾的分子机制，研究者系统探究了人体内谷氨酰胺及其代谢产物谷氨酸参与的代谢反应，从UniProt 2025数据库的人类蛋白编码基因中鉴定出43种谷氨酰胺相关蛋白与127种谷氨酸相关蛋白，其中分别有28种和68种在人K562髓系白血病细胞中表达；随后通过13C、15N标记的谷氨酰胺开展同位素示踪实验分析，发现谷氨酰胺来源的碳可高效汇入谷氨酸、天冬氨酸等多数氨基酸碳库及α-酮戊二酸、琥珀酸等TCA循环中间体，8小时标记率超85%，也能以稍慢速率参与嘧啶及己糖胺生物合成途径代谢物，但不参与嘌呤合成（嘌呤碳源主要来自葡萄糖），且K562细胞中不存在苹果酸酶活性；谷氨酰胺来源的氮掺入模式更具异质性，嘌呤、嘧啶8小时标记率超60%，而谷氨酸、天冬氨酸标记率不足50%，提示存在谷氨酰胺以外的氮源补充。研究者进一步验证了K562细胞的强谷氨酰胺成瘾表型——谷氨酰胺缺失会快速抑制细胞增殖与活力，并通过包含371种碳/氮源的无偏筛选发现，丙酮酸、α-酮戊二酸等羧酸类碳源，以及丙氨酸等兼具碳氮供体功能的代谢物可恢复谷氨酰胺限制下的细胞增殖，且碳源的增殖恢复效果整体优于氮源，最终表明K562细胞的谷氨酰胺成瘾主要由对碳源的需求驱动，而非氮源需求。

2. 谷氨酰胺成瘾的诱因是回补代谢，而非氧化还原失衡

通过代谢组学分析证实，谷氨酰胺剥夺会导致细胞内所有三羧酸（TCA）循环中间体及谷氨酸、天冬酰胺等氨基酸含量下降，而糖酵解、核苷酸合成、磷酸戊糖途径等通路的代谢物水平无明显变化；选用营养筛选中促增殖效果最优、非谷氨酰胺直接下游且不含氮的丙酮酸进行回补验证，发现其可恢复谷氨酰胺匮乏条件下多数耗竭代谢物的水平。为明确作用机制，研究排除了丙酮酸通过再生NAD、恢复氧化还原平衡发挥作用的可能——尽管谷氨酰胺饥饿会升高细胞内NADH/NAD比值，但丙酮酸促进谷氨酰胺饥饿细胞增殖的效果显著优于NADH氧化酶LbNOX；后续通过线粒体丙酮酸载体抑制剂UK5099干预、13C标记丙酮酸示踪实验进一步证实，丙酮酸需进入线粒体发挥回补作用，且谷氨酰胺匮乏时细胞会增强对丙酮酸的回补代谢利用。最后，研究在HEK293T细胞球及另外7种人和鼠肿瘤细胞系中验证了该效应的普适性，最终明确：谷氨酰胺成瘾的核心成因是回补代谢缺陷而非氧化还原失衡，丙酮酸可通过回补TCA循环支持谷氨酰胺受限细胞的增殖，且该机制在不同细胞谱系中普遍存在。

3. 基于全基因组CRISPR-Cas9筛选构建谷氨酰胺成瘾统一模型

通过对K562细胞进行全基因组CRISPR-Cas9筛选，研究者建立了一个解释细胞谷氨酰胺成瘾的统一模型。研究发现，在谷氨酰胺匮乏但丙酮酸充足时，细胞增殖依赖于一个核心代谢轴：丙酮酸进入线粒体转化为草酰乙酸，进而合成天冬氨酸，并通过线粒体苹果酸-天冬氨酸穿梭（MAS）将其输出至细胞质，用于蛋白质和核苷酸合成。验证实验证实，抑制细胞质MAS（如敲低GOT1、MDH1）可阻止天冬氨酸回流入线粒体，从而促进谷氨酰胺限制下的细胞生长。此外，筛选还揭示了多个必需的支持性通路，包括整合应激反应（ISR）、系统Xc⁻、自噬、泛素化相关复合物（如GID/CTLH、FBXW7），以及一个此前未被重视的关键因素——生物素代谢。特别地，丙酮酸羧化酶（PC）的生物素化被证明是细胞在无谷氨酰胺条件下增殖的严格限速步骤，其功能无法被非生物素化突变体所替代。这些发现阐明了细胞在谷氨酰胺饥饿时维持生存和增殖的整合性代谢与调控机制。

4. 生物素代谢可在谷氨酰胺受限环境下促进生长

全基因组筛选发现，生物素转运蛋白（SLC5A6）和连接酶（HLCS）是谷氨酰胺剥夺时细胞增殖所必需的。在多种生物素依赖性羧化酶中，只有丙酮酸羧化酶（PC）在此条件下表现出生长必需性。功能验证表明，细胞生长同时依赖于外源生物素和丙酮酸，且这种需求特指生物素化修饰功能，而非PC蛋白稳定性。通过结构分析锁定PC的生物素化位点为赖氨酸1144（K1144），并构建了其突变体（K1144R）。生长实验证实，野生型PC的过表达能有效挽救并促进谷氨酰胺饥饿细胞的增殖，而无法被生物素化的K1144R突变体则完全丧失此功能。这些数据共同证明，PC的生物素化修饰是细胞在谷氨酰胺限制条件下增殖的必要条件，且生物素化的PC是此类细胞生长的一个关键限制因子。

5. FBXW7促进PC表达与丙酮酸回补途径

全基因组CRISPR筛选发现，这个已知的泛素连接酶底物识别组分FBXW7，是谷氨酰胺剥夺时细胞增殖的必需基因。功能验证表明：FBXW7缺失细胞在谷氨酰胺充足时生长正常，但在缺乏谷氨酰胺时，即使补充丙酮酸，增殖仍严重受损；而补充可渗透性α-酮戊二酸却能恢复生长，这提示缺陷特异存在于丙酮酸回补代谢，而非全局碳代谢障碍。结合13C标记丙酮酸示踪实验，研究者发现FBXW7敲低后，由PC催化产生的m+3标记苹果酸/天冬氨酸显著减少，这表明FBXW7缺失特异性地损害了PC介导的丙酮酸羧化回补途径，即从丙酮酸生成草酰乙酸这一关键代谢流受到抑制。蛋白质组学分析揭示，FBXW7缺失会特异性且显著降低PC蛋白水平，而不影响筛选所得的其他关键因子。鉴于PC本身是谷氨酰胺成瘾的核心代谢酶，这一发现直接解释了代谢缺陷的根源。最终，在FBXW7缺失细胞中回补表达PC，可完全挽救其在无谷氨酰胺条件下的增殖能力，证明PC位于FBXW7的下游执行功能。这些发现共同阐明：FBXW7通过维持PC蛋白表达、保障丙酮酸回补代谢流的通畅，从而支持细胞在谷氨酰胺限制环境中的生存与增殖。

6. FBXW7-MYC-MNT-SIN3A轴通过组蛋白去乙酰化调控PC表达

于FBXW7主要行使蛋白降解功能且与PC的细胞定位不同，其缺失导致PC蛋白水平下调的现象出乎研究者意料，进一步检测发现FBXW7敲低细胞中PC的mRNA水平显著降低，但mRNA稳定性未受影响，提示FBXW7通过转录层面调控PC的表达。研究者随后从全基因组CRISPR-Cas9筛选结果中挖掘出一组属于MYC扩展网络的转录调控因子（MYC、MAX、MNT、SIN3A、MLX、MLXIP），其中MNT作为c-MYC的拮抗剂可竞争结合MAX，并招募转录抑制因子SIN3A，进而募集组蛋白去乙酰化酶以抑制靶基因表达；由于c-MYC是FBXW7的经典降解底物，在FBXW7缺失的K562细胞中c-MYC发生蛋白积累，且通过MycER细胞模型证实过表达MYC足以降低PC蛋白水平，印证了MYC对PC表达的抑制作用。结合ENCODE数据库的ChIP-seq数据与自主开展的ChIP实验，研究者证实c-MYC、MAX、MNT、SIN3A均可结合PC基因启动子的E-box区域，且FBXW7缺失会显著促进MAX、MNT、SIN3A在PC启动子上的富集，同时降低该区域的组蛋白H3K27乙酰化水平。后续功能验证实验显示，在FBXW7缺失的细胞背景下敲低转录抑制因子MNT或SIN3A，可完全恢复PC的蛋白表达，并充分挽救细胞在谷氨酰胺剥夺条件下的增殖缺陷，呈现明确的上位效应；而MLX与MLXIP仅能产生微弱的增殖挽救作用，且不影响PC的蛋白表达。FBXW7缺失会引发c-MYC蛋白积累，进而促使MNT-SIN3A转录抑制复合物富集于PC基因启动子，通过介导启动子区域的组蛋白去乙酰化抑制PC的转录，最终造成细胞丙酮酸回补代谢缺陷与谷氨酰胺依赖表型。

7. FBXW7中基因改造的癌症相关突变导致了谷氨酰胺成瘾

为验证该调控机制的临床相关性，研究者结合蛋白结构数据库（PDB: 7D1Y）与癌症体细胞突变目录（COSMIC），筛选出FBXW7在肿瘤中突变频率最高的三个残基R465、R505与R479，这类突变多为改变残基电荷的错义突变，集中分布于蛋白的底物结合口袋区域，会削弱FBXW7对c-MYC等靶蛋白的识别与结合能力；研究者分别在FBXW7敲低及野生型细胞背景下过表达野生型FBXW7与R465C、R505C、R479Q三种癌症相关突变体，结果显示所有突变体均会造成c-MYC蛋白稳定性升高、PC表达下调，且即便补充丙酮酸，细胞在谷氨酰胺剥夺条件下的增殖仍受到显著抑制，该效应在野生型细胞背景中同样存在，复刻了临床中FBXW7突变的显性负效应，最终证实FBXW7的癌症相关功能缺失突变会诱导细胞产生谷氨酰胺成瘾表型。

03 研究结论

1. 营养-遗传筛选揭示了决定细胞谷氨酰胺成瘾的分子机制。

2. 谷氨酰胺耗竭时，生物素化修饰可启动代谢回补反应。

3. FBXW7可促进谷氨酰胺饥饿细胞通过丙酮酸介导的途径维持生长。

MYC扩展调控网络通过MNT/SIN3A复合物与去乙酰化作用，抑制丙酮酸羧化酶（PC）的转录。