アブレーションはマレイン酸-アスパラギン酸シャトルを介してがん細胞に薬剤耐性を付与することができる

Ablation Can Confer Drug Resistance to Cancer Cells via a Malate-Aspartate Shuttle-Mediated Mechanism.

• Magesh Muthu
• Ranjeet Kumar
• Azharuddin Sajid Syed Khaja
• Jonathan D Gilthorpe
• Jenny L Persson
• Anders Nordström

抄録

グルタミン酸アンモニアリガーゼ（GLUL）は、酸塩基恒常性、アンモニア解毒、細胞シグナル伝達、増殖に重要な役割を果たしている。ここでは、アブレーションを行うことで、特定のがん細胞株において複数の抗がん剤に対する耐性が付与される一方で、他の細胞株では耐性が付与されないことを報告した。この薬剤耐性を支える生化学的メカニズムを理解するために、薬剤耐性ノックアウト（KO）A549非小細胞肺癌（NSCLC）細胞と非耐性KO H1299 NSCLC細胞を比較したところ、耐性A549細胞の方が増殖のために外因性グルコースに依存していることが明らかになった。GLUL 活性は逆グルタミン分解を介してトリカルボン酸（TCA）サイクルに関連しているため、我々は C5 グルタミン、C5 グルタミン酸、C6 グルコーストレースを用いて、解糖経路と TCA 経路の両方を介した炭素フラックスをプローブした。A549 GLUL KO 細胞ではリンゴ酸とアスパラギン酸の標識が増加したが、非耐性の GLUL KO H1299 細胞では C-標識が減少した。また、リンゴ酸とアスパラギン酸のシャトルは、細胞内のNADH産生をサポートし、細胞の代謝フィットネスと関連していた。アミノオキシ酢酸を用いたリンゴ酸-アスパラギン酸シャトルの阻害は、対照のA549細胞で28μMであったのに対し、耐性GLUL KO A549細胞では11.5μMのICで細胞生存率に有意な影響を与え、リンゴ酸-アスパラギン酸シャトルに耐性をリンクさせた。さらに、A549 KO細胞におけるGLULの発現を回復させることで、薬剤感受性が向上した。このように、マレイン酸-アスパラギン酸シャトルの能力が向上することで、がん細胞が薬剤の圧力から逃れることができるという、がんの薬剤耐性における新しい代謝メカニズムを提案しました。

Glutamate-ammonia ligase (GLUL) is important for acid-base homeostasis, ammonia detoxification, cell signaling, and proliferation. Here, we reported that ablation conferred resistance to several anticancer drugs in specific cancer cell lines while leaving other cell lines non-resistant to the same drugs. To understand the biochemical mechanics supporting this drug resistance, we compared drug-resistant knockout (KO) A549 non-small-cell lung carcinoma (NSCLC) cells with non-resistant KO H1299 NSCLC cells and found that the resistant A549 cells, to a larger extent, depended on exogenous glucose for proliferation. As GLUL activity is linked to the tricarboxylic acid (TCA) cycle via reversed glutaminolysis, we probed carbon flux through both glycolysis and TCA pathways by means of C5 glutamine, C5 glutamate, and C6 glucose tracing. We observed increased labeling of malate and aspartate in A549 GLUL KO cells, whereas the non-resistant GLUL KO H1299 cells displayed decreased C-labeling. The malate and aspartate shuttle supported cellular NADH production and was associated with cellular metabolic fitness. Inhibition of the malate-aspartate shuttle with aminooxyacetic acid significantly impacted upon cell viability with an IC of 11.5 μM in resistant GLUL KO A549 cells compared to 28 μM in control A549 cells, linking resistance to the malate-aspartate shuttle. Additionally, rescuing GLUL expression in A549 KO cells increased drug sensitivity. We proposed a novel metabolic mechanism in cancer drug resistance where the increased capacity of the malate-aspartate shuttle increased metabolic fitness, thereby facilitating cancer cells to escape drug pressure.