武汉大学最新Science子刊：异常低表达ALDH6A1介导缬氨酸代谢重编程通过代谢-表观遗传轴促进胃癌侵袭转移

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背景介绍

胃癌是全球第五大常见恶性肿瘤和癌症相关死亡的主要原因之一，转移播散是导致患者死亡的首要因素。局部侵袭是远处扩散的起始步骤，靶向这一过程是抑制转移和改善患者预后的最有效机会。代谢重编程是肿瘤细胞应对快速增殖、缺氧和免疫监视等多重压力的关键适应机制——不仅通过有氧糖酵解生成ATP、通过谷氨酰胺代谢满足生物合成需求，还通过支链氨基酸分解代谢、TCA循环回补和脂肪酸β-氧化等途径为生物合成提供碳源和还原当量。更重要的是，代谢重排产生的代谢物可直接作为信号分子调控染色质状态。然而，驱动胃癌侵袭的代谢回路尚缺乏系统性解析。

研究思路

针对上述挑战，武汉大学中南医院消化系统疾病研究中心王舒艺教授、熊斌教授等团队，通过全基因组CRISPR-Cas9代谢基因敲除文库筛选结合患者转录组数据整合，鉴定出线粒体酶ALDH6A1作为关键的抗侵袭因子。研究发现ALDH6A1在胃癌组织中显著低表达，其表达缺失阻断了缬氨酸分解代谢的终末步骤，导致甲基丙二酸（MMA）在胞内积累。MMA通过竞争性占据α-酮戊二酸（α-KG）辅因子口袋抑制组蛋白去甲基化酶KDM5C活性，增加侵袭相关基因（ANGPT2、MMP7）启动子区H3K4二甲基化（H3K4me2）富集，激活其转录。药理学激活ALDH6A1（Alda-1）或系统性清除MMA（L-肉碱）可降低H3K4me2水平、抑制侵袭程序并减少肝转移负荷。相关内容以Reprogramming of valine metabolism mediated by abnormally low ALDH6A1 expression promotes invasive metastasis of gastric cancer发表在 Science Advances！

图片解析

图1. CRISPR代谢基因文库筛选鉴定ALDH6A1为胃癌侵袭关键调控靶点： (A) CRISPR代谢基因敲除文库筛选结合Transwell侵袭实验流程示意图。(B-C) AGS细胞经多轮筛选后侵袭能力逐渐增强的代表图像及定量。(D) 第五轮筛选中与胃癌侵袭显著相关的51个代谢基因。(E) 51个差异基因的K-means聚类分析，Cluster 2中15个基因随筛选轮次增加呈渐进富集。(F) 多数据库验证15个候选基因在胃癌与癌旁组织中的表达差异，ALDH6A1在各数据集中均一致低表达且表达水平最低。(G) TCGA数据库中ALDH6A1在胃癌组织中显著低表达。(H-M) 配对胃癌与癌旁组织及各细胞系中ALDH6A1表达验证。(N) ALDH6A1低表达与高T分期相关。(O) 低ALDH6A1表达与较差总生存相关。

图2. ALDH6A1酶活性抑制胃癌侵袭和迁移： (A-E) ALDH6A1敲除显著增强AGS和HGC-27细胞迁移和侵袭能力，而过表达则抑制之（标尺100 μm）。(F) ALDH6A1敲除促进EMT（E-cadherin降低、N-cadherin和vimentin升高），过表达则抑制EMT。(G) 多色免疫组化显示胃癌边缘区ALDH6A1低表达且EMT表型更显著，标尺200 μm（放大图100 μm）。(H-K) 不同T分期胃癌组织中ALDH6A1及EMT标志物表达定量。(L) ALDH6A1酶活性突变体（Y172H）构建示意图。(M-N) 突变体不影响表达水平但显著降低酶活性。(O-T) 野生型ALDH6A1回补可逆转ALDH6A1敲除诱导的侵袭增强和EMT，而酶活性突变体无此效应。

图3. ALDH6A1缺失通过缬氨酸代谢重编程驱动MMA积累： (A) ALDH6A1敲除、野生型和过表达细胞非靶向代谢组学的K-means聚类。(B) 随ALDH6A1表达变化的代谢物Cluster 2和4的KEGG富集分析。(C) 相同细胞RNA-seq数据的K-means聚类。(D) 随ALDH6A1表达变化的基因Cluster 5和7的KEGG富集分析，缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸降解通路被突出。(E) 缬氨酸降解途径示意图，标注ALDH6A1催化步骤。(F) 靶向有机酸代谢组学显示ALDH6A1敲除后仅MMA水平显著升高。(G) LC-MS/MS定量显示野生型ALDH6A1回补可降低MMA水平，突变体无此效应。(H) 胃癌组织ALDH6A1 mRNA与血清MMA水平呈负相关（n=50）。(I) 血清MMA水平随T分期升高而升高。

图4. ALDH6A1缺失下游MMA积累通过增加H3K4me2增强胃癌侵袭： (A-E) MMA浓度梯度（0-10 mM）处理10天后AGS和HGC-27细胞迁移和侵袭能力呈剂量依赖性增强，标尺100 μm。(F) MMA处理促进EMT的蛋白质印迹分析。(G) 4 mM MMA处理10天后RNA-seq火山图。(H-I) MMA响应基因Clusters 3和4的K-means聚类及GO富集分析，突出组蛋白修饰相关条目。(J) ALDH6A1响应基因Clusters 5和7的GO富集分析。(K-M) ALDH6A1敲除、过表达及MMA处理下H3K4me2的蛋白质印迹及定量，显示H3K4me2在ALDH6A1缺失或MMA处理时升高。

图5. ALDH6A1缺失- MMA积累通过增强侵袭相关基因启动子H3K4me2促进其表达： (A-B) MMA处理细胞H3K4me2 ChIP-seq显示启动子区H3K4me2富集显著增加。(C) RNA-seq上调基因与ChIP-seq H3K4me2增加基因交集获得33个靶基因。(D) 代表性靶基因（MMP7、ANGPT2等）的H3K4me2富集与表达变化。(E-F) ChIP-qPCR验证ALDH6A1敲除和MMA处理细胞中MMP7和ANGPT2启动子H3K4me2水平升高。(G-J) RT-qPCR和蛋白质印迹验证ALDH6A1缺失或MMA处理剂量依赖性上调MMP7和ANGPT2 mRNA和蛋白水平。

图6. MMA通过抑制去甲基化酶KDM5C活性升高H3K4me2驱动胃癌侵袭： (A-B) ALDH6A1敲除或MMA处理不改变H3K4 HMTs（KMT2A、KMT2B、SETD1A）的转录和总体活性。(C-D) H3K4 HDMs中仅KDM5C转录上调，伴随总体H3K4 HDM活性显著下降。(E-J) KDM5C过表达可逆转ALDH6A1敲除诱导的侵袭增强、EMT和H3K4me2升高，而KDM5A和KDM5B无此效应。(K-P) KDM5C过表达可逆转MMA诱导的侵袭增强、EMT和H3K4me2升高，标尺100 μm。

图7. MMA通过竞争性结合α-KG抑制KDM5C去甲基化活性： (A-C) ITC分析显示MMA与KDM5C结合亲和力（Kd=7.22×10⁻⁵ M）高于α-KG（Kd=6.69×10⁻⁴ M），MMA存在时α-KG呈现竞争性结合特征（Kd=2.03×10⁻⁴ M）。(D) 基于AlphaFold 3预测的分子对接模型显示MMA和α-KG在KDM5C催化口袋（E516和N616）重叠。(E-J) α-KG补充（5 mM，10天）可逆转ALDH6A1敲除诱导的侵袭增强、EMT和H3K4me2升高，标尺100 μm。(K-P) α-KG补充可逆转MMA诱导的侵袭增强、EMT和H3K4me2升高，标尺100 μm。(Q-R) ChIP-qPCR显示α-KG补充降低ALDH6A1敲除和MMA处理细胞中ANGPT2和MMP7启动子H3K4me2富集。

图8. 靶向ALDH6A1-MMA代谢轴体内抑制胃癌肝转移： (A-B) 脾注射胃癌细胞肝转移模型的生物发光成像、大体肝脏形态及H&E染色。(C-D) MMA处理及dm-α-KG干预的代表性图像。(E-F) 各组总生物发光信号定量（n=6）。(G) 各组小鼠血清MMA的LC-MS/MS定量（n=5-6）。(H-I) ALDH6A1缺失或MMA积累升高转移组织中侵袭标志物和H3K4me2水平，dm-α-KG或L-肉碱可逆转。(J-K) ChIP-qPCR显示dm-α-KG或L-肉碱降低ALDH6A1敲除和MMA处理转移瘤中ANGPT2和MMP7启动子H3K4me2富集。(L-N) Alda-1或L-肉碱给药抑制胃癌肝转移的代表性图像及定量（n=6）。(O) Alda-1或L-肉碱降低血清MMA水平（n=6）。(P) ChIP-qPCR显示Alda-1或L-肉碱降低转移瘤中ANGPT2和MMP7启动子H3K4me2富集（n=6）。(Q) Alda-1或L-肉碱降低转移瘤中EMT标志物和H3K4me2水平。

结论

本研究通过CRISPR-Cas9代谢基因筛选结合患者转录组分析，鉴定出ALDH6A1作为胃癌侵袭的关键代谢抑制因子。机制上，ALDH6A1低表达阻断缬氨酸分解代谢终末步骤，导致MMA胞内积累；MMA通过竞争α-KG结合位点抑制KDM5C去甲基化酶活性，增加侵袭相关基因（ANGPT2、MMP7）启动子区H3K4me2富集，激活转录并促进EMT和肝转移。临床样本证实ALDH6A1表达与血清MMA水平负相关，且低ALDH6A1预示不良预后。药理学激活ALDH6A1（Alda-1）或促进MMA排泄（L-肉碱）可有效抑制体内肝转移。该研究揭示了一条可靶向的“代谢物-表观遗传”调控轴，为胃癌转移防治提供了新策略。