Nature 重磅：禁食与生酮，在转译组舞台上演绎抗癌剧! |MedChemExpress (MCE)
饮食不仅仅是维持生命的基本需求，它还可能成为抗击疾病的强大武器 。近期的研究揭示，细胞内的“转译组”——即正在翻译的所有 mRNA，可能在调节饮食与肿瘤发生之间扮演关键角色 。快来随小 M 一起揭开这一生物学谜团吧~
01 禁食or生酮？
数千年来，从希腊哲学家希波克拉底和柏拉图开始，禁食被认为有益健康。间歇性禁食和生酮饮食有多种益处，如减重、抗炎、增强脑功能和抗癌。禁食和生酮饮食通过将能量来源从葡萄糖转变为酮体，激活多条细胞信号通路。
然而，禁食信号如何在蛋白质组水平上引发基因表达变化以建立酮体生成的代谢程序仍未充分阐明[1][2]。图 1 展示了短期和长期禁食或生酮饮食期间细胞的代谢适应[3]。
图1. 短期和长期禁食或生酮饮食期间的细胞适应过程[3]。
在禁食的 12-14 小时内，身体从葡萄糖转向酮体，伴随 mTOR 的抑制和自噬的增加。长期禁食时，酮体生成增加，激活 AMPK，磷酸化 Akt 并刺激葡萄糖摄取，同时通过抑制 FoxO 和 SREBP1 来刺激脂质合成。同时，受到核 PPARα 刺激的肝线粒体产生乙酰乙酸 (AcAc) 和 β-羟丁酸 (β-HB)。在长期禁食期间，血糖和胰岛素水平进一步降低，从而使 AMP/ATP 比率增加，激活肿瘤抑制因子肝激酶 B1 (LKB1) 并进一步激活 AMPK。在外周组织中，AMPK 抑制 mTORC1 和蛋白质合成，同时磷酸化并失活乙酰辅酶 A 羧化酶（ACC），该酶与 SREBP 共同调节脂肪酸氧化。此外，在具有高能量氧化能力的组织中，AMPK 通过促进 PGC-1α 的表达，促进脂质氧化和线粒体代谢。葡萄糖饥饿还激活 p53 的表达，调节 PTEN，从而增加 AMPK 活性，同时抑制 IGF-1/AKT/mTOR 通路。
02 Nature：P-eIF4E 重塑控制饮食并影响肿瘤发生
今年 8 月，Davide Ruggero 团队在Nature上发表了一篇题为 “Remodelling of the translatome controls diet and its impact on tumorigenesis” 的文章。研究发现，在进食到禁食的过渡过程中，主要帽结合蛋白 eIF4E 的磷酸化(P-eIF4E)发挥了之前未曾报道过的转译控制作用。
在禁食或生酮饮食期间，P-eIF4E 成为一种选择性翻译因子，对肝脏中酮体生成所需的特定 mRNA 网络(eg: Ppara)的翻译至关重要。并进一步发现长链脂肪酸可通过激活 AMPK 来调控 P-eIF4E。此外，P-eIF4E 被发现是胰腺癌形成的致癌因素，组合生酮饮食和 P-eIF4E 小分子抑制剂具有协同抗癌效果[4]。
图 2. 胰腺肿瘤响应生酮和eFT508的代谢和翻译重编程示意图[4]。
为了适应高脂肪酸和低碳水化合物环境，胰腺肿瘤通过 eFT508 治疗重新编程了转译组，上调 β-氧化和酮症扰乱这些营养途径，抑制肿瘤生长。
名词解释：
- 生酮饮食 (Ketogenic Diet):一种以高脂肪、适量蛋白质和极低碳水化合物为特点的饮食方式，通过减少碳水化合物的摄入，迫使身体转而燃烧脂肪以产生酮体作为能量来源[2]。
- 转译组 (Translatome):细胞在特定时间点内所翻译的所有mRNA的集合，反映了基因表达的翻译层面.
- eIF4E(Eukaryotictranslation initiation factor 4E): 真核翻译起始因子 4E，是一种关键的蛋白质，负责调控 mRNA 的翻译过程。它通过与 mRNA 的 7-甲基鸟苷帽结合，促进核糖体的招募，从而启动蛋白质合成。在禁食或生酮饮食期间，eIF4E 的磷酸化(P-eIF4E) 被发现与脂质代谢和酮体生成的调控密切相关[5]。
一、禁食诱导 eIF4E 磷酸化和转译组的重塑
在禁食期间，肝脏作为代谢重编程的主导器官，其 Global 翻译和 mTOR 通路被下调。尽管 Global 蛋白质合成下降，某些代谢通路的 mRNA 翻译依然得以维持。研究发现，禁食 24 小时后，eIF4E(Ser 209)的磷酸化显著增加，而 4EBP1 的低磷酸化状态表明 eIF4E 活性受到动态调控。禁食期间，MNK 激酶的活性也增加(图 3A, B)。禁食期间MNK-P-eIF4E 轴的激活表明了进食到禁食过渡期间利用 P-eIF4E 进行翻译调控的可能性。
随后，作者通过 PolyRibo-seq 分析发现禁食导致 983 个基因的翻译效率显著下降，同时 615 个转录本的翻译效率显著上升(主要涉及脂质代谢和酮体生成) (图 3C, D)。以上结果表明，进食到禁食的过渡重新编程了肝脏的翻译景观，特异性地增加了与脂质代谢和酮体生成相关基因的翻译。
MNK:唯一已知的 eIF4E 激酶，MNK 在 Ser209 上的 P-eIF4E 可增强 eIF4E 活性，尤其是对癌细胞中选择性转录本的翻译。
图 3. 禁食期间，P-eIF4E 在翻译水平上控制酮体生成[4]。
A-B. 免疫印迹分析显示在自由进食、禁食 24 小时 (A) 和禁食后再喂养 2 小时的小鼠 (B) 肝脏中蛋白的表达。C. 肝脏中禁食期间转录本翻译效率 (TE) 的 log2倍数变化 (FC) 火山图。红点表示显著上调的翻译基因。D. 根据 Wiki 通路分析显著上调翻译基因的主要通路。
二、P-eIF4E 调控生酮作用并促进选择性翻译
接着，作者探讨了禁食诱导的 P-eIF4E 在酮体生成中的作用。使用缺乏 Ser209 磷酸化位点的 eIF4ES209A小鼠模型，发现禁食 24 小时后这些小鼠的 β-羟丁酸(BHB)水平显著低于野生型小鼠。代谢组学分析显示，eIF4ES209A肝脏中 BHB 显著下调，且 β-氧化中间产物长链酰基肉碱积累，短链酰基肉碱减少，提示 β-氧化缺陷(图 4A,B)。另外，使用 MNK 抑制剂eFT508抑制 P-eIF4E 导致酮体生成减少超过 50%(图 4C,D)，这些结果表明P-eIF4E 在禁食期间对肝脏的 β-氧化和酮体生成具有重要影响。
图 4. P-eIF4E 调控生酮作用[4]。
A. 在禁食 24 小时的野生型 (WT) 和 eIF4ES209A小鼠中的血液 BHB 浓度。B. 禁食的 eIF4ES209A小鼠与 WT 小鼠肝脏中代谢物变化的火山图。C-D. 在禁食 24 小时的Ppara−/− 小鼠或预处理为 vehicle 或 eFT508 的 WT 小鼠中的血液 BHB 浓度。
随后，作者使用 PolyRibo-seq 分析了禁食状态下eIF4ES209A小鼠肝脏的翻译效率。结果显示，在禁食的eIF4ES209A小鼠中，有 445 个在野生型小鼠中翻译上调的基因显著下调，包括关键基因Ppara和Hmgcs2(图 5A)。通路富集分析表明，这些基因主要参与酮体的生物合成(图 5B)。而且，禁食的eIF4ES209A小鼠中Ppara和Hmgcs2的翻译水平和蛋白的浓度也明显下调(图 5C, D)。这些结果表明，P-eIF4E 在禁食期间对 β-氧化和酮体生成的翻译重编程具有重要作用。
图 5. P-eIF4E 调控促进选择性翻译[4]。
A. PolyRibo-seq 测序。野生型肝脏中禁食 (24 小时) 与喂养状态之间的转录本翻译效率 (TE) 的 log2 倍数变化 (x 轴)，以及禁食的野生型和 eIF4ES209A肝脏之间的变化 (y 轴)。在禁食时显著上调但在禁食的 eIF4ES209A肝脏中未能上调的基因标记为绿色。B. 在热图中显示了 a 中显著上调的基因，突出显示了前两个富集的通路。C. 24 小时禁食的野生型和 eIF4ES209A肝脏中的翻译水平 (mRNA)。D. 禁食的野生型和 eIF4ES209A肝脏中 PPARα 活性和 Hmgcs2 浓度 (IHC 染色)。
三、脂肪酸通过激活 AMPK 而激活 MNK-P-eIF4E 信号轴
添加脂肪酸可刺激饥饿状态下 AML12 细胞中的翻译特异性，并诱导 MNK-P-eIF4E 轴的活化(图 6A)，增加Ppara和Hmgcs2 mRNA 的翻译水平。此外，fat-ATGL−/−小鼠中肝脏中Ppara和Hmgcs2 mRNA 的禁食诱导的翻译上调受损。因此，来自脂肪细胞脂解的脂肪酸可以在禁食期间向肝脏传递信号，激活 MNK-P-eIF4E 轴，从而调控酮体生成相关转录本的翻译。
随后发现 AMPK 的激活在禁食状态下被激活，且 AMPK 抑制剂(Dorsomorphin,Bay-3827)可下调细胞中 P-eIF4E(图 6B)，阻止了脂肪酸诱导的 PPARα 和 Hmgcs2 的翻译(图 6C)，并降低了禁食野生型小鼠的酮体生成(图 6D)。机制研究表明AMPK 通过抑制已知上游激酶 ERK1/2 和 p38 MAPK 下调 P-eIF4E，部分调控酮体生成，AMPK 也可直接磷酸化 MNK。因此，AMPK 在脂肪酸诱导的 MNK-P-eIF4E 轴中发挥了重要作用，调控特定 mRNA 的翻译。
图 6. 脂肪酸增强 AMPK 活性，激活 MNK-P-eIF4E 轴[4]。
A. 过夜无血清培养基 (FA) 处理后，用 BSA、100 μM亚油酸(LA)、油酸(OA)、棕榈酸(PA) 或联合处理 AML12 细胞 4 小时后蛋白表达水平。B. FA 刺激的 AML12 细胞在不同抑制剂或激活剂处理下 P-eIF4E/eIF4E 水平。C. 脂肪酸刺激的 AML12 细胞中 mRNA 水平。D. 禁食 24 小时的小鼠中，Vehicle、AMPK 抑制剂处理后血液 BHB 浓度。
四、生酮饮食增加 P-eIF4E
生酮饮食后，WT 小鼠肝脏中 AMPK 的磷酸化和活性增加，同时 P-eIF4E 显著增加(图 7A)，且eIF4ES209A小鼠在生酮饮食下表现出血液中 BHB 浓度显著降低(图 7B)。PolyRibo-seq 分析显示生酮饮食与禁食之间存在相似的翻译组重塑(图 7C)。qPCR 结果确认生酮饮食下eIF4ES209A小鼠肝脏中PPARα和Hmgcs2的翻译水平降低(图 7D)，且甘油三酯积累和乙酰辅酶 A 减少(图 7E)。注射 Hmgcs2 cDNA 或 Ppara cDNA 则恢复了 BHB 浓度(图 7F)。以上结果表明P-eIF4E 在生酮饮食中对酮体生成具有重要的调控作用。
图 7. 生酮饮食通过激活 P-eIF4E 依赖的翻译机制来调节酮体生成[4]。
A. 小鼠喂食普通饲料或生酮饮食 24 小时后，从肝脏中获得的 AMPK 的免疫印迹图。B. WT 和eIF4ES209A小鼠喂食生酮饮食后的血液 BHB 浓度。C. 喂食正常饲料和生酮饮食的 WT 小鼠肝脏中转录本翻译效率 (TE) 的log2倍数变化 (x轴)，以及生酮饮食和普通饲料喂养的 WT 小鼠之间的变化 (y轴)、P-eIF4E 的翻译效率的热图。D. WT 和eIF4ES209A小鼠肝脏在生酮饮食下Hmgcs2或Ppara的翻译水平。E. WT 和eIF4ES209A小鼠在生酮饮食喂养24小时后肝脏中甘油三酯浓度。F. WT 小鼠或eIF4ES209A小鼠尾静脉注射 Vehicle 或Hmgcs2cDNA 或PparacDNA 的在正常饲料或生酮饮食 24 小时下的血液 BHB 浓度。
五、生酮饮食可增加癌症药物的有效性
某些癌症(如胰腺肿瘤)可利用酮体作为替代能量来源，因此，作者提出，在生酮饮食下，胰腺肿瘤的生长可能也依赖于 P-eIF4E。而这一过程可以被 MNK 的临床抑制剂(eFT508，也称为 Tomivosertib)阻断。实验结果证明，生酮饮食和 eFT508 协同作用显著抑制胰腺肿瘤生长，且单独治疗无效(图 8A)。eFT508 降低了肝脏中 Ppara 和 Hmgcs2 的翻译(图 8B)，并减少了生酮饮食下的血液 BHB 浓度(图8C)，补充 BHB 可逆转 eFT508 对肿瘤的抑制作用(图 8D)。
图 8. 通过 P-eIF4E 小分子抑制剂结合生酮饮食限制胰腺肿瘤的生长[4]。
A. 人胰腺癌细胞 (T3M4) 异种移植模型小鼠接受普通饲料或生酮饮食或药物 (Vehicle 或 eFT508) 处理后的肿瘤生长情况。B. 在不同处理下小鼠肝脏中 Hmgcs2 或 Ppara 的翻译水平。C. 在不同处理下小鼠的血液 BHB 浓度。D. 在生酮饮食下，使用 Vehicle、eFT508 或在饮用水中添加 1% BHB 的异种移植小鼠中血液 BHB 浓度。
03 小结
今天，小 M 和大家一起深入探讨禁食和生酮饮食对细胞翻译机制的影响，在禁食或生酮饮食期间，P-eIF4E 成为一种选择性翻译因子，对肝脏中酮体生成所需的特定 mRNA 网络的翻译至关重要。生酮饮食与 eFT508 的结合限制了胰腺肿瘤细胞的酮体可用性，提供了一种新的胰腺癌治疗策略。
参考文献： [1] de Cabo, et al. Effects of intermittent fasting on health, aging, and disease. N. Engl. J. Med. 381, 2541–2551 (2019).
[2] Dowis, K. et al. The potential health benefits of the ketogenic diet: a narrative review. Nutrients. 2021. 13, 1654. [3] Paoli A, et al. Common and divergent molecular mechanisms of fasting and ketogenic diets. Trends Endocrinol Metab. 2024 Feb;35(2):125-141. [4] Yang H, et al. Remodelling of the translatome controls diet and its impact on tumorigenesis. Nature. 2024 Aug 14. [5] Romagnoli A, et al. Control of the eIF4E activity: structural insights and pharmacological implications. Cell Mol Life Sci. 2021 Nov;78(21-22):6869-6885.
