Phgdh-KO 基因敲除小鼠

PHGDH，全称Phosphoglycerate dehydrogenase，是磷酸甘油醛脱氢酶，是一种重要的代谢酶，参与细胞代谢过程。PHGDH是丝氨酸合成途径（SSP）中的第一个关键酶，负责将3-磷酸甘油酸转化为3-磷酸丙酮酸，同时产生NADH。丝氨酸不仅是细胞内重要的氨基酸，还是许多生物合成途径的前体，包括核苷酸、谷胱甘肽和S-腺苷甲硫氨酸的合成。因此，PHGDH在维持细胞代谢平衡和细胞生长中发挥着重要作用。

PHGDH在肿瘤发生和发展中也扮演着重要角色。研究表明，PHGDH的表达水平与多种癌症的发生、发展和预后密切相关。例如，乳腺癌患者的原发肿瘤中，PHGDH表达的异质性或低表达与降低的无转移生存时间相关。在动物模型中，循环肿瘤细胞和早期转移灶富含PHGDH低表达的癌细胞，抑制原发肿瘤中的PHGDH表达可以增加转移形成。机制上，PHGDH与糖酵解酶磷酸果糖激酶相互作用，PHGDH的缺失激活了己糖胺-唾液酸途径，为蛋白质糖基化提供了前体。结果，发生异常蛋白质糖基化，包括整合素αvβ3的唾液酸化增加，这增强了细胞迁移和侵袭。唾液酸化抑制可以抵消PHGDH低表达癌细胞的转移能力。因此，尽管PHGDH的催化活性支持癌细胞增殖，但低PHGDH蛋白表达非催化性地增强了癌细胞扩散和转移形成[1]。此外，PHGDH还通过上调SLC7A11的表达抑制铁死亡，从而促进膀胱癌的恶性进展[2]。PHGDH的缺失导致丝氨酸合成途径（SSP）瘫痪，降低了αKG、丝氨酸和NADPH的产生，同时提高了ROS水平，并诱导了HCC细胞在索拉非尼治疗下的凋亡。PHGDH抑制剂的NCT-503与索拉非尼联合使用，在体内有效地抑制了HCC的生长。这些发现表明，靶向PHGDH是一种克服HCC中TKI药物耐药性的有效方法[3]。

PHGDH在维持内皮细胞功能中也至关重要。在PHGDH缺乏的小鼠新生血管内皮细胞中，由于细胞内丝氨酸耗尽，导致血红素生成不足，电子传递链（ETC）酶活性受损，从而引起氧化应激和细胞死亡。补充亚铁血红素可以恢复ETC功能，并挽救内皮细胞凋亡和血管生成缺陷。这些数据表明，即使在没有外部丝氨酸剥夺的情况下，内皮细胞在PHGDH抑制下也会死亡，这表明丝氨酸合成对内皮细胞具有异常的重要性[4]。

PHGDH还参与肿瘤细胞对营养压力的适应。葡萄糖限制可以诱导PHGDH的磷酸化，并促进PHGDH从细胞质转移到细胞核。在细胞核中，PHGDH的活性改变限制了NAD+水平，并抑制了NAD+依赖的PARP1活性，从而抑制了c-Jun的转录活性，导致细胞生长抑制。PHGDH的Ser371和Ser55磷酸化水平分别与临床人胰腺癌标本中的p38和AMPK活性相关。这些发现揭示了PHGDH的替代活性在肿瘤发生中的重要作用[5]。

PHGDH还与细胞衰老相关。在衰老过程中，丝氨酸生物合成酶PHGDH的表达由于激活转录因子ATF4的转录减少而显著降低，导致细胞内丝氨酸减少。PHGDH主要通过增强丙酮酸激酶M2（PKM2）的稳定性和活性来防止过早衰老。机制上，PHGDH与PKM2相互作用，防止PCAF催化的PKM2 K305乙酰化和随后由自噬介导的降解。此外，PHGDH促进p300催化的PKM2 K433乙酰化，这促进PKM2的核转位并刺激其活性，以磷酸化H3T11并调节衰老相关基因的转录。血管内皮细胞特异性表达PHGDH和PKM2可以改善小鼠的衰老。这些发现揭示了增强丝氨酸生物合成可能成为一种促进健康衰老的治疗方法[6]。

PHGDH缺乏是一种罕见的常染色体隐性遗传病，其特征是先天性小头畸形、癫痫发作和心理运动发育迟缓。在中国，首次报道了一例家族性PHGDH缺乏病例，并回顾了以前的报道。该家族的两名兄弟姐妹在幼年早期出现了小头畸形、心理运动发育迟缓和癫痫发作。脑MRI仅显示轻微的脑室扩大。生化检查显示血清丝氨酸和甘氨酸浓度降低。全外显子组测序（WES）结果显示PHGDH基因中存在一个错义突变（NM_006623.4:外显子11: c.1211T>A, p. Val404Asp）。尽管这两个中国患者携带相同的PHGDH基因致病突变，但他们的症状和对治疗的反应并不完全相同。这表明PHGDH基因的新突变和PHGDH缺乏症的临床表型谱有所扩展[7]。

PHGDH在脑转移中也发挥着重要作用。在大脑中，有限的丝氨酸和甘氨酸环境限制了转移性肿瘤的生长。PHGDH作为葡萄糖衍生丝氨酸合成的限速酶，是多种人类癌症类型和临床前模型中脑转移的主要决定因素。增强的丝氨酸合成对核苷酸生产和高度侵袭性脑转移细胞的细胞增殖至关重要。在体内，PHGDH的基因抑制和药理学抑制减弱了脑转移，但没有影响颅外肿瘤的生长，并提高了小鼠的总生存率。这些结果表明，PHGDH抑制剂可能对脑转移的治疗有用[8]。

PHGDH的表达和活性受到多种机制的调节。例如，FBXO7通过结合PRMT1，诱导赖氨酸37的泛素化，并促进PRMT1在蛋白酶体中的降解，从而抑制HCC中的丝氨酸合成和肿瘤生长。FBXO7在人类HCC组织中显著下调，并且与PRMT1蛋白和PHGDH甲基化水平呈负相关[9]。此外，YY1和p53在PHGDH启动子中的DNA结合基序部分重叠，导致两个转录因子之间的竞争性调节。在突变型p53的背景下，YY1驱动PHGDH表达，并促进膀胱肿瘤的发生[10]。

综上所述，PHGDH是一种重要的代谢酶，在维持细胞代谢平衡、细胞生长、肿瘤发生、发展和预后中发挥着重要作用。PHGDH的表达和活性受到多种机制的调节，包括转录因子、表观遗传修饰和蛋白质相互作用。PHGDH的研究为理解细胞代谢和肿瘤发生机制提供了新的视角，并为开发新的治疗策略提供了理论基础。