肺癌(LC)是一种高度致命的恶性肿瘤，它的快速生长需要主要代谢燃料的过度分解代谢。然而，LC细胞为了保持葡萄糖代谢活性而大量消耗葡萄糖，必然会导致肿瘤微环境中的葡萄糖不足，这对LC细胞是不利的。因此，这些恶性细胞需要替代代谢燃料。目前尚不清楚果糖（饮食中的一种丰富的糖）是否承担这一角色。

华盈生物合作伙伴上海中医药大学附属龙华医院陈文连/贾立军教授联合研究团队最新发现，果糖转运体GLUT5在肺癌转移患者肿瘤组织中高表达，并介导了果糖代谢通路的激活，进而抑制细胞能量感受器AMPK，并活化其下游的mTORC1信号通路，促进肺癌细胞恶性生长的新机制，相关研究成果于2020年2月初发表于国际期刊《JCI Insight》上。

为了评估体内LC的果糖代谢活性，作者招募了ADC(n=22)和SCC（n=13）两类LC患者（图1A）,并对这些患者的肿瘤组织和癌旁正常组织进行了代谢组学研究。研究发现在LC组织中，果糖水平、果糖与葡萄糖的比率以及果糖衍生的代谢物，包括1-磷酸果糖和磷酸二羟丙酮(DHAP)均升高（图1B，1C）。因此，作者假设在体内，当葡萄糖缺乏时，LC细胞可以改用循环中的果糖。

图1 体内LC果糖利用活性的研究

 |   2. TCGA分析：发现果糖转运蛋白GLUT5 在肺癌肿瘤组织中高表达 

图2  LC患者组织中GLUT2和GLUT5表达情况

图3 LC组织和正常组织中GLUT5表达情况

|   4. 果糖代谢分析：发现GLUT5直接影响果糖摄取并促进LC细胞增殖

图4 SLC2A5缺失对LC细胞果糖摄取及增殖影响

|   5. 代谢流分析：GLUT5介导脂肪酸代谢途径稳定性

为了阐明果糖是否直接参与脂肪酸的合成，作者进行了体内代谢流测定。将1M [U-¹³C6]-d-fructose通过小鼠尾静脉注入，并追踪A549异种移植瘤中的果糖下游代谢产物。结果发现，在缺失SLC2A5的A549肿瘤中，¹³C-丙酮酸、¹³C-乙酰辅酶A和¹³C-棕榈油酸减少，而在GLUT5过表达的A549肿瘤中，这些代谢物则反向上调(图5，A和B)。这些发现表明，在肺部肿瘤中，吸收的果糖被用来合成脂肪酸，包括棕榈油酸。

图5 SLC2A5对果糖下游脂肪酸代谢途径的调控

|   6. 抗体芯片：确定GLUT5促进LC恶性增殖信号通路

为了全面了解果糖利用诱导LC生长的分子机制，作者利用华盈生物提供的PEX100磷酸化抗体芯片技术（可筛选31条信号通路）对SLC2A5缺失的A549肿瘤移植瘤和对照组的A549肿瘤移植瘤组织中的磷酸化谱进行广泛筛选，检测特定位点的蛋白磷酸化事件，并识别调控LC生长的下游底物/效应物。与对照肿瘤相比，SLC2A5缺失在A549肿瘤中引起了广泛的磷酸化蛋白谱的变化，其中磷酸化水平升高50%以上的蛋白有82个，磷酸化水平降低50%以上的蛋白有46个。在SLC2A5缺失的A549肿瘤中磷酸化水平改变的蛋白中，以辅酶A羧化酶1(ACC1)的蛋白表达最高，在Ser79处磷酸化水平增加达到838%以上。而ACC1是AMPK众所周知的下游靶点。相应地，抗体芯片显示AMPK也被显著激活，上调1.95倍(图6A)。前人研究表明，AMPK下游的mTORC1蛋白是促进LC恶性生长的重要调控蛋白。在本研究中，抗体芯片结果显示受mTORC1调控的两个最重要的蛋白4E-BP1和p70S6K的磷酸化在SLC2A5缺失的A549肿瘤中也被显著抑制(图6A)，说明了mTORC1通路受到了GLUT5的调控。作者利用Western blot方法验证了抗体芯片结果(图6B)。
 

图6 抗体芯片分析SLC2A5对AMPK/mTORC1信号通路的调控

|   7. Rescue实验：证实GLUT5直接调控AMPK/mTORC1信号通路

为了进一步证实GLUT5介导的果糖利用可能影响AMPK/mTORC1信号通路，作者将对照组A549细胞和SLC2A5基因敲除的A549细胞在无糖培养基中饥饿2h，以刺激AMPK，抑制mTORC1活性。然后在培养基中分别加入果糖和葡萄糖，最终浓度为6 mM，处理细胞1h。在果糖条件下，对照A549细胞可以用果糖抑制AMPK活性，上调mTORC1活性，而SLC2A5缺失的A549细胞由于丧失了果糖利用能力而没有表现出这种信号改变(图7A和B)。此外，为了验证激活的AMPK是否阻碍LC细胞的生长，作者使用AMPK激动剂AICAR来异常刺激AMPK，从而降低A549细胞中mTORC1的活性(图7C)。可以发现A549细胞的增殖受到AICAR处理的显著抑制(图7D)。总之，LC细胞需要GLUT5介导的果糖利用来抑制AMPK，激活mTORC1活性，从而促进LC细胞的生长。
 

图7 GLUT5是激活AMPK/mTORC1通路的主要靶点

|   小结

本研究充分利用了非靶向代谢组学筛选、代谢流、抗体芯片技术（华盈生物均可提供服务）发现了肺癌恶性生长的双重机制：首先利用代谢组学技术发现了肺癌患者果糖摄入增加的特殊现象，并利用代谢流等技术证实了果糖转运蛋白GLUT5一方面通过增加果糖摄入，促进脂肪酸合成途径，为肺癌细胞提供补充能量的明确机制。另一方面GLUT5引起的果糖摄入增加抑制了AMPK的活性，进而促进了mTORC1通路的激活，导致肺癌恶性增殖的机制（图8）。
 

图8 GLUT5促进肺癌恶性增殖的双重机制
 

本研究实验设计思路清晰，层层递进；实验方法应用合理，推陈出新；实验结果全面可靠，非常值得华盈视角推荐。

文献原文：GLUT5-mediated fructose utilization driveslungcancer growth by stimulating fatty acid synthesis and AMPK/mTORC1 signaling.