谷氨酰胺(Gln)是一种丰富多能的营养物质，在肿瘤发生中能够参与能量代谢、氧化还原稳态、大分子合成等过程。线粒体Gln氧化后的主要产物为天冬氨酸(Asp)和苹果酸(Mal)，被运输至胞质后，Asp用于核苷酸和蛋白质合成，Mal则用于生成NADPH参与还原性生物合成和细胞氧化还原稳态的调节。
在胰腺导管腺癌(Pancreaticductaladenocarcinoma,PDAC)发生过程中，致癌基因KRAS诱导的磷酸戊糖途径的代谢重编程会促使Gln加剧消耗。而为满足癌细胞对NADPH的需求，KRAS会触发Gln代谢重组，此时线粒体Gln产生的Asp被运输至胞质溶胶后转化为草酰乙酸(OA)和Mal，并最终转换为丙酮酸(Pyr)以生成更多的NADPH。尽管这一途径被广泛研究，但Asp是如何从线粒体向外运输的，以及参与该过程的载体分子仍不甚清楚。
近日，意大利巴里大学GiuseppeFiermonte教授和卡拉布里亚大学VincenzaDolce教授团队在NatureMetabolism联合发表题为KRAS-regulatedglutaminemetabolismrequiresUCP2-mediatedaspartatetransporttosupportpancreaticcancergrowth的文章，发现线粒体解耦连蛋白UCP2介导的天冬氨酸运输，在致癌基因KRAS重塑谷氨酰胺代谢过程中不可或缺，并且能够促进胰腺癌的进展和恶化，本研究揭示了UCP2是胰腺癌治疗中潜在的重要作用靶点。
此前研究中作者团队发现细菌表达的线粒体解偶联蛋白(uncouplingprotein2,UCP2)能够在人工合成的脂质囊泡中催化Asp与膜对侧的磷酸和质子的交换，且UCP2转录水平在巨噬细胞和HepG2细胞Gln氧化过程中上调，在PDAC中存在过表达。因此，作者在本研究中意图验证UCP2是否能够作为线粒体载体参与Asp外流。
首先，作者在四种PDAC细胞系中（两种KRASmut细胞系PatuT和Panc1，以及两种KRASWT细胞系BxPC3和KP2）探究了UCP2在PDACGln代谢重编程过程中的功能。研究发现UCP2沉默会显著降低两种KRASmut细胞的增殖率以及群落生成能力，而在两种KRASWT细胞系中则不然。在培养基中补充Asp能够显著恢复增殖缺陷，表明UCP2沉默耗尽了细胞质Asp。有趣的是，补充谷氨酸Glu也能够部分恢复这种增殖缺陷，作者因此推测Glu可能通过Asp/Glu载体(AGC1)进入线粒体，并通过与Gln衍生的线粒体Glu相同的反应途径产生Asp。作者发现AGC在四种细胞系中均有表达，UCP2沉默并不影响其表达水平，表明Asp通过AGC的输出依赖于Glu的进入。
进一步研究发现，补充还原性谷胱甘肽(GSH)或N-乙酰半胱氨酸(NAC)能够完全恢复UCP2缺失诱发的生长缺陷，表明UCP2沉默导致KRASmut胞质中Asp的缺失，减少了GSH的可用性并改变了细胞氧化还原稳态。在KRASmut细胞中，UCP2缺失导致谷胱甘肽/二硫化谷胱甘肽(GSH/GSSG)比值与NADPH/NADP+比值降低，以及ROS增加。随后，作者分析了个PDAC肿瘤样品以及43种PDAC细胞系的基因表达谱，发现UCP2表达与GSH代谢、NADH或NADPH相关氧化还原酶活性、胞内氧化应激反应以及ROS代谢相关基因显著相关。为进一步研究UCP2缺失导致PDAC细胞的代谢变化，作者用13C标记Gln作为示踪物进行靶向代谢组学分析，发现无论在KRASWT还是KRASmut细胞中，UCP2缺失均致使Gln衍生代谢物在细胞器组分中积聚，而在胞质溶胶中降低，表明UCP2依赖性的活性丧失抑制了谷氨酰胺的分解代谢。以上结果表明了UCP2在Gln代谢中发挥至关重要的作用，且Gln在KRASmut而非KRASWT细胞中的氧化还原稳态中具有关键调节功能。
由于哺乳动物细胞系中的代谢网络系统复杂，作者选择在酵母中探究UCP2作为线粒体Asp载体的功能，结果发现UCP2能够在体内作为Asp/磷酸+质子的转运载体。而后，作者在小鼠肿瘤细胞移植瘤模型中探究了UCP2缺失的影响，发现在移植两种KRASmut细胞系的小鼠中，UCP2缺失能够显著抑制肿瘤的生长(图1)，且GSH/GSSG比值与NADPH/NADP+比值降低，表明UCP2在KRASmut细胞中的氧化还原稳态调节中发挥关键作用。
图1UCP2缺失抑制了移植KRASmutPatuT细胞系肿瘤的增长
为探究KRAS突变与UCP2功能依赖之间的因果关系，作者在PatuT和BxPC3细胞系中构建了KRASG12V突变体，发现其中UCP2的转录和蛋白表达水平均未改变，而细胞增殖率以UCP2依赖性方式升高，表明KRAS突变并不能影响UCP2的表达，而UCP2在KRAS突变诱导的细胞增殖中发挥了促进作用。
综上，该研究揭示了线粒体解偶联蛋白UCP2能够作为线粒体转运载体，在KRAS重塑谷氨酰胺代谢中能够催化线粒体天冬氨酸的外流。此外，UCP2在胞内ROS代谢中的作用与其底物转运功能有关，而非其解耦联活性。由UCP2依赖性交换反应产生的线粒体磷酸浓度增加，能够激活磷酸盐依赖性的谷氨酰胺酶GLS(图2)。UCP2在多种肿瘤发生过程中表达上调并受到Gln的严格调控，UCP2作为治疗PDAC以及其他Gln依赖性癌症的代谢靶点未来可期。
图2PDAC中KRAS缺失突变诱导的Gln代谢重组
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