生酮饮食登Nature!中国科学家首次揭示:联合用药或能攻克“癌王”

禁食与多种健康益处相关。禁食、低碳水化合物高脂肪饮食或运动等方式诱导的生酮作用，已被证实能激活多种细胞信号通路。然而，尽管经过了数十年的研究，禁食信号如何诱导蛋白质组水平的基因表达变化，从而建立起酮体产生的代谢程序，这一问题仍未得到充分阐明。

2024年8月14日，中国青年学者杨浩君以第一作者在Nature期刊在线发表了题为“Remodelling of the translatome controls diet and its impact on tumorigenesis”的研究论文。本研究通过蛋白组+代谢组等研究手段，揭示了禁食或生酮饮食通过激活MNK-P-eIF4E轴，促进脂肪酸介导的特定mRNA的选择性翻译，从而调节酮体生成和肿瘤生长。同时发现，在胰腺癌小鼠模型中，将一种名为eFT508的处于临床试验阶段新型抗癌药物与生酮饮食结合，能够阻断胰腺癌细胞的唯一能量来源-脂肪代谢，从而饿死癌细胞。这项研究证明饮食疗法可以与现有癌症治疗方法相结合，从而有效地精准消除肿瘤。

癌细胞为了维持持续的存活，会改变其营养摄取和利用方式。放疗和大多数化疗药物通过直接或间接引起DNA损伤来导致癌细胞死亡，但癌细胞需要迅速修复这些损伤来存活。已知某些积累的代谢物会抑制DNA修复并引发基因组不稳定。然而，对于那些能够促进DNA修复的代谢物的了解非常有限。研究代谢驱动的DNA修复机制对于发现新的癌症治疗靶点至关重要。

1. 禁食诱导eIF4E磷酸化

研究者对自由进食、禁食24小时，以及禁食后再喂食2小时的小鼠肝脏进行了免疫印迹分析，以检测相关蛋白的表达变化。结果显示，禁食24小时后，小鼠肝脏中eIF4E在丝氨酸209位点的磷酸化（P - eIF4E）显著增加，伴随着4EBP1的低磷酸化和MNK活性的增强。而在禁食后恢复进食时，P-eIF4E水平随之下降。这些结果表明，在进食与禁食之间，eIF4E的活性经历了动态调节。

2. 禁食重塑翻译组

研究者通过无偏全基因组翻译谱分析（PolyRibo-seq）结合RNA测序，研究了野生型小鼠肝脏在进食和禁食转换过程中的翻译景观。结果显示，与进食相比，禁食时多核糖体的整体面积明显减少，表明禁食期间全局蛋白质合成有所下降。进一步分析揭示，不同mRNA网络的翻译效率（TE）具有高度特异性。研究发现，禁食状态下983个基因的TE显著下调，其中包括mTOR通路的翻译靶标如线粒体核糖体蛋白和tRNA加工相关基因；与此同时，有615个转录本的翻译显著上调（P < 0.05），这些基因主要与脂质代谢和酮体生成有关，如酮体生成的限速酶Hmgcs2和脂质代谢及酮体生成的关键调控因子PPARα。定量PCR结果进一步验证了在进食-禁食转换过程中，Ppara和Hmgcs2 mRNA从RNP和轻多核糖体向高翻译多核糖体的显著转移。研究结果表明，从进食到禁食的过渡重新规划了肝脏的翻译景观，以特别增加了与脂质代谢和生酮有关的基因的翻译。

3. P - eIF4E调节酮生成

研究者在eIF4ES209A小鼠模型中（eIF4E缺乏MNK磷酸化位点Ser209），通过禁食24小时后检测其血液中β-羟基丁酸（BHB）浓度、肝脏代谢物及相关酶的活性。结果显示，eIF4ES209A小鼠的BHB产生量较WT小鼠明显减少，尽管血糖和胰岛素浓度相似，且体重、血脂肪酸和甘油水平无显著变化，提示脂肪组织中的脂解过程正常。代谢组学分析揭示，BHB是肝脏中下降最显著的代谢物之一，伴随β-氧化中间产物长链酰基肉碱积累和短链酰基肉碱减少，暗示β-氧化过程存在障碍。此外，eIF4ES209A小鼠肝脏中的甘油三酯含量增加了两倍，β-氧化产物丁酰-CoA的水平显著下降，而Hmgcs2产物HMG-CoA减少，尽管其前体乙酰-CoA水平无变化，这表明Hmgcs2酶活性受损。进一步研究表明，使用强效且高选择性的MNK抑制剂eFT508短暂抑制P-eIF4E，可以使禁食小鼠肝脏中的酮生成减少超过50%，效果与Ppara敲除小鼠相似，但对体重、血甘油或脂肪酸无显著影响。

4. P-eIF4E促进选择性翻译

通过PolyRibo-seq分析发现，在eIF4ES209A小鼠中，许多在WT小鼠中禁食状态下翻译上调的基因（如Ppara和Hmgcs2）在eIF4ES209A小鼠中显著下调，这些基因大多与β-氧化和酮生成相关。进一步的研究表明，mRNA的5' UTR基序，如PRTE和CERT，在决定这些基因的翻译敏感性方面起关键作用。通过体内荧光素酶报告实验，证实了PRTE基序的突变会削弱禁食状态下的翻译上调，并消除了WT与eIF4ES209A小鼠之间的差异，说明PRTE基序作为顺式调控元件，赋予了mRNA对P-eIF4E的翻译调控敏感性。这一机制在体外培养的肝细胞模型中得到了进一步验证，表明P-eIF4E通过与PRTE基序的相互作用，在禁食期间特异性地调控与能量代谢相关的基因翻译。

5. 脂肪酸通过AMPK激活MNK–P-eIF4E轴的机制

接下来，研究人员研究了禁食如何触发MNK–P-eIF4E依赖的翻译控制。禁食期间血浆中游离脂肪酸的增加是其主要特征之一，并已被证明可作为信号分子。实验数据使用了包含脂肪酸的无血清培养基（FFM）中的AML12细胞，表明脂肪酸的添加可以刺激特异性翻译。因此，研究人员假设脂肪酸可能在禁食期间触发MNK–P-eIF4E轴。通过对AML12细胞和初级小鼠肝细胞的实验，他们发现，在无血清和无激素培养基中短时间刺激最常见的脂肪酸（棕榈酸、油酸和亚油酸）可诱导MNK–P-eIF4E轴，尤其是多不饱和脂肪酸亚油酸。此外，亚油酸在血清饥饿期间的添加足以提高AML12细胞中Ppara和Hmgcs2 mRNA的翻译水平。

研究人员通过抑制MNK的上游激酶（ERK1/2和p38 MAPK）和激活已知的MNK磷酸酶PP2A来进一步验证数据。抑制AMPK活性显著下调了AML12细胞和初级肝细胞中的P-eIF4E，且有效阻止了脂肪酸诱导的PPARα和Hmgcs2的翻译。体内实验显示，抑制AMPK活性显著减少了禁食WT小鼠的酮生成，而在eIF4ES209A小鼠中则未观察到此现象。这表明AMPK部分通过P-eIF4E依赖的方式控制酮生成。此外，研究人员发现AMPK通过磷酸化MNK来激活MNK–P-eIF4E轴。进一步的实验显示，脂肪酸能够通过直接结合AMPKγ亚基来异位激活AMPK，并通过与AMPK亚基的相互作用调节AMPK活性，从而调控下游代谢途径和MNK–P-eIF4E的磷酸化。

6. P - eIF4E控制生酮饮食

研究发现，在切换到高脂肪、低碳水化合物的生酮饮食后，野生型小鼠肝脏中的AMPK磷酸化和活性增加，同时P-eIF4E水平显著上升，而P-4EBP1水平下降。此外，药理学抑制AMPK活性导致P-MNK和P-eIF4E减少。生酮饮食还导致eIF4ES209A小鼠的血液BHB浓度显著降低，并在长期喂养后下降超过50%。在生酮饮食中，eIF4ES209A小鼠的肝脏中发现了与禁食类似的转译组重塑，证实P-eIF4E依赖的翻译在生酮体生成中的功能相关性。研究还发现，在eIF4ES209A肝脏中，甘油三酯积累，乙酰辅酶A和其他短链酰基辅酶A减少，表明β-氧化存在缺陷。通过静脉注射Hmgcs2和Ppara cDNA，部分或完全恢复了eIF4ES209A小鼠的酮体生成和血液BHB浓度，证明了P-eIF4E依赖的Ppara翻译在生酮饮食中的关键作用。

7. 饮食诱导癌症药物可治疗性

这项研究通过使用人胰腺癌细胞系T3M4和AsPC1在裸鼠中建立异种移植模型，探讨了不同饮食（常规饮食和生酮饮食）与药物eFT508的组合对肿瘤生长的影响。研究发现，生酮饮食和eFT508联合治疗显著抑制了胰腺肿瘤的生长，而单独使用这些治疗则无明显效果。eFT508通过降低肝脏中Ppara和Hmgcs2的翻译水平，导致血BHB浓度下降。在体外实验中，BHB在禁食模拟条件下促进了癌细胞的生长。PolyRibo-seq分析显示，生酮饮食重塑了肿瘤的翻译组，而eFT508抑制了这一重塑过程，尤其影响了Ppara基因的表达。Ppara的过表达可以使肿瘤对生酮饮食和eFT508的组合治疗产生抗性。这些结果揭示了Ppara翻译调控在生酮饮食条件下对胰腺癌细胞生存的重要性。

本研究发现，通过禁食或生酮饮食，身体内的脂肪酸可以激活一种特殊的分子开关（MNK-P-eIF4E），从而选择性地开启或关闭某些基因的表达，影响酮体的产生和肿瘤的生长。这一发现为治疗胰腺癌提供了新的思路。

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