丙酮酸激酶M2亚型(PKM2)优先在癌细胞中表达以调节合成代谢。研究团队发现了一种ER跨膜蛋白33(TMEM33)作为PKM2的下游效应子，可调节SREBPs的激活和脂质代谢。今天分享一篇发表在《The EMBO journal》的文章“PKM2-TMEM33 Axis Regulates Lipid Homeostasis in Cancer Cells by Controlling SCAP Stability”，揭示了PKM2在脂质稳态和致癌作用中的细胞自主和内吸作用，以及TMEM33作为脂质代谢的真正调节因子。
图1. PKM2缺陷细胞的脂质代谢途径受损
本研究通过代谢组学分析，揭示了PKM2在细胞代谢中的核心作用。我们对比了PKM2敲除(KO)的乳腺癌细胞系(MCF7和MDA-MB-231)及小鼠胚胎成纤维细胞(MEF)与其亲本细胞系的代谢特征。结果显示，PKM2 KO显著扰乱了多种代谢途径，尤其是脂肪酸代谢(β-氧化)途径，这在三种细胞系中均表现出显著变化。具体而言，PKM2 KO细胞中的肉碱、乙酰肉碱及酰基肉碱水平显著下降，长链脂肪酸水平也显著降低，而乙酰辅酶A(CoA)水平略有上升。这些变化直接影响了细胞内的脂质合成和积累，导致PKM2 KO细胞中的总胆固醇水平和脂质滴积累均显著减少。这些发现表明，PKM2在维持细胞脂质代谢平衡中发挥着关键作用。
图2. SREBP激活在PKM2 KO乳腺癌细胞中受损
进一步的研究表明，PKM2 KO细胞中脂质代谢途径的受损与SREBPs的激活受阻密切相关。SREBPs是脂质合成和摄取的关键转录因子，其激活需要SREBP裂解激活蛋白(SCAP)的参与。我们通过RNA-seq分析发现，PKM2 KO细胞中与胆固醇稳态、SREBPs激活及脂肪酸代谢相关的基因表达显著下调。特别是，脂质合成途径中的关键酶，如HMG-CoA还原酶(HMGCR)、脂肪酸合酶(FASN)等，在PKM2 KO细胞中的表达均显著降低。蛋白质组学分析也支持了这些发现，显示PKM2 KO细胞中与胆固醇合成相关的蛋白质显著下调。此外，Western blot分析证实，PKM2 KO细胞中SREBP1的核积累减少，SCAP水平降低，进一步证明了PKM2在SREBPs激活和脂质合成中的重要作用。
图3. TMEM33募集RNF5促进SCAP多泛素化
为了揭示PKM2如何调控SREBPs的激活，作者进一步寻找了PKM2的下游效应因子。通过一系列实验，作者发现TMEM33在PKM2 KO细胞中显著上调，并与泛素连接酶RNF5相互作用，共同促进SCAP的降解。TMEM33是一种应激诱导的内质网膜蛋白，已知参与未折叠蛋白反应(UPR)。研究表明，TMEM33通过招募RNF5，形成三元复合物，进而促进SCAP的泛素化和降解，从而抑制SREBPs的激活和脂质合成。此外，敲低RNF5可以部分恢复TMEM33过表达细胞中SCAP的水平和SREBP1的活性，进一步验证了TMEM33-RNF5轴在调控SCAP稳定性中的关键作用。
图4. PKM2/VCP/RNF1轴调节TMEM33表达
图5. PKM2和CIP2A的组合调节对体外和NSCLC细胞的影响
为了探讨TMEM33表达上调的机制，作者研究了其转录调控。通过ChIP-qPCR和报告基因分析发现TMEM33的启动子区域含有抗氧化反应元件（ARE）基序，该基序是NRF1的结合位点。在PKM2 KO细胞中，NRF1的切割和激活增加，导致TMEM33的表达上调。进一步的研究表明，PKM2与含缬氨酸蛋白(VCP)相互作用，并抑制其活性。PKM2的敲除或四聚体形成促进剂，如TEPP-46的处理可以释放这种抑制作用，增强VCP的活性，进而促进NRF1的切割和TMEM33的表达。为了在体内验证TMEM33的功能，作者使用了TMEM33过表达的腺病毒模型和小鼠TMEM33敲除模型。结果显示，TMEM33过表达显著增加了小鼠的总血浆胆固醇水平，而TMEM33敲除则显著降低了总血浆胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)水平。这些结果表明，TMEM33不仅是PKM2下游的关键效应因子，还在体内脂质代谢中发挥着重要作用。
本文作者：LJX
责任编辑：CT
全文链接：
https://www.embopress.org/doi/full/10.15252/embj.2021108065
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