線粒體通過氧化磷酸化（OXPHOS）維持細(xì)胞能量代謝和生物合成；OXPHOS的正常運(yùn)轉(zhuǎn)依賴于三羧酸循環(huán)（TCA）和完整的電子傳遞鏈（ETC）【1-3】。然而，不同代謝應(yīng)激下線粒體代謝活性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)的調(diào)控機(jī)制及其在腫瘤進(jìn)展的功能尚不明確。谷氨酰胺是幾乎所有癌細(xì)胞必需的氨基酸，它為癌細(xì)胞提供氮源、非必需氨基酸，并通過線粒體谷氨酰胺分解代謝 (Glutaminolysis) 回補(bǔ)TCA 循環(huán)【4,5】。根據(jù)經(jīng)典的線粒體谷氨酰胺代謝通路，胞質(zhì)內(nèi)的谷氨酰胺首先被轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體基質(zhì)，由谷氨酰胺酶（GLS）分解為谷氨酸，隨后轉(zhuǎn)化為α-酮戊二酸回補(bǔ) TCA 循環(huán)【6】。谷氨酰胺攝取與利用增加是公認(rèn)的腫瘤代謝特征，大量研究致力于靶向谷氨酰胺分解代謝限速酶——GLS抑制腫瘤進(jìn)展，但臨床效果不佳【7,8】。值得注意的是，除了線粒體谷氨酰胺分解代謝外，谷氨酰胺也可在胞質(zhì)中合成谷氨酸，后者經(jīng)由谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體1/2（GC1/2）轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入線粒體。同時(shí)，體內(nèi)環(huán)境下癌細(xì)胞可以從微環(huán)境中直接攝取谷氨酸,這種代謝可塑性一定程度上揭示了靶向GLS1失敗的原因。因此，在外源性谷氨酸可利用的情況下，癌細(xì)胞的生長在多大程度上依賴谷氨酰胺分解代謝仍不明確。更重要的是，癌細(xì)胞中線粒體谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)(mitochondrial glutamine import,MGI) 是否獨(dú)立于傳統(tǒng)分解代謝調(diào)控線粒體穩(wěn)態(tài)尚待探究。

2025年12月22日，復(fù)旦大學(xué)代謝與整合生物學(xué)研究院李福明課題組在Molecular Cell在線發(fā)表了題為Mitochondrial glutamine import sustains electron transport chain integrity independent of glutaminolysis in cancer的研究論文。該研究首次報(bào)道了腫瘤線粒體谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)（MGI）獨(dú)立于傳統(tǒng)谷氨酰胺分解代謝維持電子傳遞鏈(ETC) 完整性和細(xì)胞呼吸的關(guān)鍵功能。

研究發(fā)現(xiàn)，阻斷SLC1A5var介導(dǎo)的MGI 而非谷氨酰胺分解代謝導(dǎo)致嚴(yán)重的線粒體功能缺陷。機(jī)制上，抑制MGI并不影響谷氨酰胺回補(bǔ)TCA循環(huán)，卻限制了線粒體谷氨酰胺-tRNA（Gln-mt-tRNAGln）的生物合成，這是癌細(xì)胞線粒體中所有氨酰tRNA的限制因素。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，小鼠肝臟中敲除 Slc1a5或在人異源移植瘤中靶向SLC1A5var，均可阻止 Gln-mt-tRNAGln的生物合成和線粒體翻譯，并顯著抑制腫瘤生長。

圖1 腫瘤 線粒體谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)維持電子傳遞鏈完整性的工作模式圖。

首先，研究人員發(fā)現(xiàn)，外源添加谷氨酸可以回補(bǔ)GLS抑制劑Telaglenastat（CB839）對(duì)腫瘤細(xì)胞生長的抑制，卻不能回補(bǔ)MGI抑制劑V9302引起的生長抑制。同樣地，外源谷氨酸可以回補(bǔ)GLS敲降導(dǎo)致的細(xì)胞增殖缺陷，卻不能回補(bǔ)MGI基因SLC1A5var敲降引起的增殖缺陷。上述結(jié)果提示線粒體谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)可能存在獨(dú)立于分解代謝的功能。同位素標(biāo)記的谷氨酰胺示蹤實(shí)驗(yàn)表明，敲低SLC1A5var阻斷MGI并不削弱谷氨酰胺代謝流以及對(duì)TCA循環(huán)的回補(bǔ)，表明阻斷MGI不影響谷氨酰胺分解代謝的下游功能。

MGI如何獨(dú)立于分解代謝維持癌細(xì)胞生長？研究人員首先證實(shí)阻斷MGI可引起線粒體功能缺陷和代謝重塑，隨后通過線粒體蛋白質(zhì)組學(xué)發(fā)現(xiàn)抑制MGI后線粒體ETC蛋白水平顯著降低，而線粒體編碼基因的mRNA水平小幅升高，提示抑制MGI可能影響線粒體翻譯。借助點(diǎn)擊化學(xué)技術(shù)，引入帶炔基蛋氨酸類似物HPG標(biāo)記新合成線粒體蛋白，結(jié)合免疫熒光顯示，抑制MGI后線粒體翻譯顯著降低。進(jìn)一步通過分離線粒體后進(jìn)行體外嘌呤霉素（puromycin）摻入標(biāo)記，同樣發(fā)現(xiàn)抑制MGI后線粒體蛋白翻譯水平降低。此外，通過線粒體核糖體免疫沉淀實(shí)驗(yàn)證實(shí)，抑制MGI后線粒體mRNA與核糖體的結(jié)合增加，提示此時(shí)普遍呈現(xiàn)核糖體停頓pausing狀態(tài)，與翻譯受阻一致。上述結(jié)果綜合表明，MGI對(duì)維持線粒體翻譯和ETC完整性至關(guān)重要。

MGI抑制如何影響線粒體翻譯？已知線粒體氨酰-tRNA合成需要氨基酸和對(duì)應(yīng)線粒體tRNA (mt-tRNA) 的共同參與，但線粒體谷氨酰-tRNA (mt-tRNAGln) 的合成與其它氨基酸一步合成氨酰tRNA不同，需要EARS2和GAT兩步反應(yīng)。研究人員猜想MGI抑制可能減少線粒體谷氨酰胺含量進(jìn)而限制mt-Gln-tRNA氨酰化。于是，研究人員建立了一套線粒體tRNA charging assay定量比較線粒體tRNA氨酰化水平，結(jié)果發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞（A549）和小鼠肝癌的mt-tRNA 氨?；娇傮w上低于非腫瘤（293T）細(xì)胞和正常肝組織。重要的是，腫瘤中mt-tRNAGln 氨?；绞撬衜t-tRNA中比例最低的；并且抑制MGI進(jìn)一步降低了mt-tRNAGln的氨酰化水平，而回補(bǔ)線粒體定位的谷氨酰胺合成酶（mitoGS）增加線粒體谷氨酰胺含量則可恢復(fù)mt-tRNAGln的氨酰化水平，這與線粒體編碼蛋白水平回復(fù)一致。為了直接示蹤胞質(zhì)谷氨酰胺對(duì)mt-tRNAGln氨?；闹苯迂暙I(xiàn)，研究人員使用15N-Gln對(duì)分離的線粒體進(jìn)行體外孵育, 再富集并水解mt-tRNAGln, 然后采用質(zhì)譜技術(shù)定量分析15N-Gln 含量。結(jié)果顯示，抑制MGI后與mt-tRNAGln結(jié)合的15N-Gln豐度遠(yuǎn)低于對(duì)照。上述結(jié)果表明，MGI決定了線粒體谷氨酰胺的水平，進(jìn)而控制線粒體谷氨酰胺-tRNA的合成和線粒體翻譯。

MGI為Gln-mt-tRNAGln生物合成提供谷氨酰胺這一功能在體內(nèi)是否也存在呢？小鼠中介導(dǎo)MGI的蛋白是Slc1a5，因此研究人員利用Slc1a5 flox/flox小鼠通過尾靜脈注射AAV-TBG-Cre病毒在肝細(xì)胞中敲除Slc1a5，發(fā)現(xiàn)肝臟的ETC 蛋白水平降低，mRNA 水平保持不變; 同時(shí)糖酵解代謝物豐度升高，TCA 循環(huán)相關(guān)代謝物豐度降低；一致的是，mt-tRNAGln氨?；@著降低，上述體外結(jié)果一致。最后，為了評(píng)估MGI在腫瘤生長中的作用，研究人員構(gòu)建了MYCOE;Trp53fl/fl;Slc1a5fl/fl基因工程小鼠，通過尾靜脈注射AAV-TBG-Cre病毒誘導(dǎo)肝癌發(fā)生。結(jié)果證實(shí)，與MYCOE;Trp53fl/fl對(duì)照小鼠相比，MYCOE;Trp53fl/fl;Slc1a5fl/fl小鼠在早期病理檢查中表現(xiàn)出更低的肝臟腫瘤負(fù)荷，并且晚期存活時(shí)間更長。為進(jìn)一步確定靶向 MGI 是否抑制人類腫瘤中的線粒體翻譯，研究人員對(duì)異源移植瘤模型進(jìn)行了MGI抑制劑V9302處理，發(fā)現(xiàn)V9302顯著抑制了線粒體蛋白表達(dá)和腫瘤生長。

綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)線粒體谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)（MGI）決定了 mt-tRNAGln的氨酰化和線粒體翻譯，并在功能上支持了腫瘤生長。該工作重構(gòu)了線粒體谷氨酰胺代謝通路，突出MGI功能上區(qū)別于傳統(tǒng)谷氨酰胺分解代謝。該研究證實(shí)，阻斷MGI損害線粒體電子呼吸鏈完整性并有效抑制腫瘤生長，這比抑制谷氨酰胺分解代謝更加有效，可能成為潛在的癌癥干預(yù)新策略。

復(fù)旦大學(xué)代謝與整合生物學(xué)研究院李福明青年研究員為本文通訊作者，復(fù)旦大學(xué)代謝與整合生物學(xué)研究院朱凌志博士為本文第一作者。該研究得到了復(fù)旦大學(xué)人類表型組研究院劉蘋羽課題組，復(fù)旦大學(xué)代謝與整合生物學(xué)研究院陳立課題組，復(fù)旦大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院李飛課題組，以及復(fù)旦大學(xué)代謝與整合生物學(xué)研究院儀器平臺(tái)的大力支持。

原文鏈接：https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(25)00975-X

制版人： 十一

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