PKM2亚型特异性缺失揭示肿瘤细胞对丙酮酸激酶的差异性需求

PKM2 isoform-specific deletion reveals a differential requirement for pyruvate kinase in tumor cells.

作者信息William J Israelsen, Talya L Dayton, Shawn M Davidson, Brian P Fiske, Aaron M Hosios, Gary Bellinger, Jie Li, Yimin Yu, Mika Sasaki, James W Horner, Laura N Burga, Jianxin Xie, Michael J Jurczak, Ronald A DePinho, Clary B Clish, Tyler Jacks, Richard G Kibbey, Gerburg M Wulf, Dolores Di Vizio, Gordon B Mills, Lewis C Cantley, Matthew G Vander Heiden
PMID24120138
期刊Cell
发布时间2013-10-10
DOI10.1016/j.cell.2013.09.025

实验完整度

高

包含条件性敲除小鼠模型、自发乳腺癌模型、同种移植瘤模型、细胞系、人组织芯片及代谢示踪等多层证据,并进行了功能与机制验证。

主要模型

PKM2fl/fl BRCA1fl/flMMTV-Cre p53+/- 小鼠乳腺癌模型 PKM2Δ/Δ 肿瘤来源细胞系同种移植瘤裸鼠模型 小鼠胚胎成纤维细胞(MEFs) 人乳腺癌组织芯片(TMA)

重点核对

PKM2fl/fl小鼠与BRCA1fl/flMMTV-Cre p53+/-杂交,观察肿瘤发生和生存期 肿瘤组织PCR基因分型确认PKM外显子10缺失 qPCR和Western blot检测PKM1/PKM2 mRNA和蛋白水平 PKM2Δ/Δ细胞注射裸鼠后的成瘤能力及FLAG-PKM1/PKM2表达影响 13C-葡萄糖输注检测肿瘤乳酸生成

摘要

The pyruvate kinase M2 isoform (PKM2) is expressed in cancer and plays a role in regulating anabolic metabolism. To determine whether PKM2 is required for tumor formation or growth, we generated mice with a conditional allele that abolishes PKM2 expression without disrupting PKM1 expression. PKM2 deletion accelerated mammary tumor formation in a Brca1-loss-driven model of breast cancer. PKM2 null tumors displayed heterogeneous PKM1 expression, with PKM1 found in nonproliferating tumor cells and no detectable pyruvate kinase expression in proliferating cells. This suggests that PKM2 is not necessary for tumor cell proliferation and implies that the inactive state of PKM2 is associated with the proliferating cell population within tumors, whereas nonproliferating tumor cells require active pyruvate kinase. Consistent with these findings, variable PKM2 expression and heterozygous PKM2 mutations are found in human tumors. These data suggest that regulation of PKM2 activity supports the different metabolic requirements of proliferating and nonproliferating tumor cells.

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
PKM2在自发肿瘤生长中是否必需,以及肿瘤细胞对丙酮酸激酶活性的需求是否存在异质性。
核心机制
PKM2缺失后,肿瘤细胞可通过可变剪接表达PKM1或产生无功能PKM-skip;PKM1高表达与细胞增殖负相关,提示增殖细胞需要低丙酮酸激酶活性,而非增殖细胞需要高活性。
主要证据
条件性PKM2敲除加速BRCA1模型肿瘤死亡并促进肝转移;PKM2Δ/Δ肿瘤中PKM1表达异质且与PCNA负相关;同种移植瘤中PKM1过表达抑制肿瘤生长;人肿瘤中存在PKM2失活突变和低表达。
研究意义
研究提示肿瘤细胞对丙酮酸激酶活性的需求存在异质性,PKM2靶向治疗可能需考虑肿瘤细胞代谢状态和微环境。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

条件性PKM2敲除小鼠的构建与验证

建立可特异性删除PKM2外显子10的小鼠模型并验证敲除效率。

在PKM基因外显子10两侧引入LoxP位点,通过ES细胞同源重组和FLP重组酶去除neo抗性基因,获得PKM2fl小鼠;与Cre-ER小鼠杂交获得MEFs,4-羟基他莫昔芬处理后检测外显子10缺失和PKM2蛋白丢失。

2

PKM2缺失对自发乳腺癌生长和转移的影响

评估PKM2缺失在自发肿瘤模型中对肿瘤发生和生存的影响。

将PKM2fl/fl与BRCA1fl/flMMTV-Cre p53+/-小鼠杂交,观察肿瘤相关死亡和肝转移;对肿瘤进行PCR基因分型、qPCR和PKM剪接分析。

3

PKM2缺失肿瘤中PKM1表达和PKM-skip分析

确定PKM2缺失后肿瘤细胞是否补偿性表达PKM1或产生异常剪接产物。

通过qPCR、RT-PCR和限制性酶切分析PKM1/PKM2 mRNA及PKM-skip;Western blot检测PKM1和PKM2蛋白;体外表达纯化PKM-skip并检测酶活。

4

PKM1表达与肿瘤细胞增殖的空间关系

明确PKM1在肿瘤细胞中的表达异质性及其与增殖的相关性。

对PKM2Δ/Δ自发瘤和同种移植瘤进行PKM1/PCNA双染,计数PCNA阳性细胞及PKM1染色强度。

5

同种移植瘤中PKM1或PKM2表达对肿瘤生长的影响

验证外源性PKM1或PKM2表达对PKM2缺失肿瘤细胞成瘤能力的影响。

PKM2Δ/Δ肿瘤细胞系感染Cre-ERT2及FLAG-PKM1或FLAG-PKM2,删除剩余PKM2fl等位基因后皮下注射裸鼠,监测肿瘤生长。

6

PKM2缺失肿瘤的葡萄糖代谢示踪

检测PKM2缺失是否影响肿瘤葡萄糖到乳酸的转化。

荷瘤小鼠静脉输注U-13C-葡萄糖120分钟,质谱检测肿瘤乳酸同位素标记。

7

人肿瘤中PKM2表达和突变分析

评估人乳腺癌中PKM2表达的异质性及人肿瘤中PKM2突变情况。

对乳腺癌组织芯片进行PKM2/PKM1免疫组化评分;分析子宫内膜癌等肿瘤中PKM2突变。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
Asp718限制性内切酶Roche--
Fast SYBR Green预混液Applied Biosystems--
抗PKM1抗体SigmaSAB4200094
抗PKM2抗体Cell Signaling Technology4053
抗PKM抗体Cell Signaling Technology3190
抗PKM抗体abcamab6191
抗FLAG抗体Cell Signaling Technology2368
抗β-肌动蛋白抗体abcamab1801
抗GAPDH抗体Cell Signaling Technology2118
抗PKM1抗体Cell Signaling Technology7067
抗PKM2抗体Cell Signaling Technology4053
抗PCNA抗体Cell Signaling Technology2586
抗Ki-67抗体BD Pharmingen556003
抗cleaved caspase-3抗体Cell Signaling Technology9661
抗FLAG抗体Cell Signaling Technology2368

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
条件性PKM2敲除小鼠构建
LoxP位点插入位置、ES细胞同源重组、FLP重组酶去除neo基因、PKM2fl等位基因遗传比例
阅读提示:Results 'Generation and characterization of a conditional PKM2 allele'及Figure 1A-1C
自发乳腺癌模型
BRCA1fl/flMMTV-Cre p53+/-遗传背景、PKM2fl/fl与PKM2+/+分组、肿瘤相关死亡监测时间
阅读提示:Results 'PKM2 loss accelerates tumor formation...'及Figure 2A
同种移植瘤实验
细胞注射数量5×10^6、皮下注射、裸鼠品系、肿瘤体积测量公式V=(π/6)(L*W2)
阅读提示:Experimental Procedures 'Allograft Tumor Experiments'及Figure 5A
13C-葡萄糖输注代谢示踪
U-13C-葡萄糖输注120分钟、颈静脉导管植入、过夜禁食、稳态富集
阅读提示:Experimental Procedures 'Mouse Glucose Infusion Studies'及Figure 6D
人乳腺癌组织芯片分析
TMA来源(US BioMax BR1504等)、PKM2 IHC评分标准(0-2)、肿瘤亚型分类
阅读提示:Experimental Procedures 'Tissue Microarray Analysis'及Figure 7B-7D