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SIRT5通过去戊二酰化依赖的方式增强谷氨酰胺分解促进结直肠癌发生的机制研究

一、研究团队与发表信息
本研究由上海交通大学医学院附属仁济医院的Yun-Qian Wang、Hao-Lian Wang、Jie Xu等共同完成，通讯作者为Ying-Xuan Chen与Jing-Yuan Fang。研究成果于2018年发表于《Nature Communications》，标题为“SIRT5 contributes to colorectal carcinogenesis by enhancing glutaminolysis in a deglutarylation-dependent manner”，DOI: 10.1038/s41467-018-02951-4。

二、学术背景
结直肠癌（Colorectal Cancer, CRC）是全球第三大常见恶性肿瘤，其代谢重编程（metabolic reprogramming）是癌症的重要特征之一。谷氨酰胺（glutamine）作为癌细胞生长的关键营养物质，通过三羧酸循环（TCA cycle）为肿瘤提供生物合成前体。然而，谷氨酰胺代谢调控的分子机制尚不明确。

Sirtuin5（SIRT5）是一种线粒体去酰化酶，可调控蛋白质的琥珀酰化（succinylation）、丙二酰化（malonylation）和戊二酰化（glutarylation）修饰，但其在CRC中的作用未被充分研究。本研究旨在揭示SIRT5如何通过去戊二酰化修饰调控谷氨酰胺代谢，从而促进CRC进展。

三、研究流程与方法
1. SIRT5在CRC中的表达与临床意义
- 样本与检测：84对CRC组织与癌旁正常组织的免疫荧光染色显示，SIRT5在癌组织中显著高表达（p<0.0001）。公共数据库（GSE68468、GSE41258）分析进一步验证SIRT5 mRNA在CRC中上调。
- 临床关联：88例CRC患者中，SIRT5高表达与肿瘤体积大（p=0.036）、淋巴结转移（p=0.016）、晚期分期（p=0.038）和不良预后（HR=3.45, p=0.0004）显著相关。

1. SIRT5对CRC细胞增殖的调控

   • 功能实验：在HCT116和LoVo细胞中敲低SIRT5后，CCK-8实验显示细胞增殖显著抑制（p<0.001），流式细胞术检测到凋亡增加（Annexin V+细胞比例升高）和细胞周期阻滞（S期和G2/M期积累）。Western blot显示凋亡标志物（cleaved caspase 3/8/6、PARP）上调。
     
   • 催化活性验证：过表达野生型SIRT5（WT）促进细胞增殖，而催化失活突变体（H158Y）无此效应，表明SIRT5依赖其去酰化酶活性发挥作用。
     

2. 代谢组学与同位素标记实验

   • GC-MS分析：敲低SIRT5导致TCA循环中间产物（如α-酮戊二酸（α-KG）、琥珀酸、苹果酸）和谷氨酰胺衍生物（天冬氨酸、天冬酰胺）减少。
     
   • 13C标记追踪：使用[U-13C5]谷氨酰胺培养细胞，发现SIRT5敲低后，谷氨酰胺来源的α-KG（m+5）和TCA代谢物（m+4）比例下降，表明SIRT5促进谷氨酰胺碳流向TCA循环。
     

3. SIRT5调控GLUD1的分子机制

   • 酶活性检测：SIRT5敲低使谷氨酸脱氢酶1（GLUD1）活性降低40%，而过表达SIRT5 WT可激活GLUD1，突变体无此作用。
     
   • 相互作用与修饰：免疫共沉淀（Co-IP）和GST pull-down证实SIRT5与GLUD1直接结合。质谱分析发现SIRT5通过去戊二酰化修饰GLUD1的K545位点，解除其抑制并激活酶活性。K545R突变体可抵抗SIRT5调控。
     

4. 体内实验验证

   • 裸鼠成瘤模型：过表达SIRT5 WT的HCT116细胞形成更大肿瘤（体积增加6倍，p<0.001），且肿瘤组织中GLUD1活性升高38%。敲低GLUD1可逆转SIRT5的促瘤效应。
     

四、主要结果与逻辑关联
1. 临床数据：SIRT5高表达与CRC恶性特征和预后不良相关，提示其可能作为致癌因子。
2. 细胞实验：SIRT5通过去酰化酶活性促进CRC增殖和代谢重编程。
3. 代谢机制：SIRT5增强GLUD1介导的谷氨酰胺分解，驱动TCA循环通量，为癌细胞提供生物合成原料。
4. 分子机制：SIRT5-GLUD1相互作用及K545去戊二酰化是代谢激活的关键步骤。

五、研究结论与价值
1. 科学意义：首次揭示SIRT5通过去戊二酰化修饰GLUD1，调控谷氨酰胺代谢的分子机制，为CRC代谢研究提供新视角。
2. 应用价值：SIRT5或可作为CRC预后标志物和治疗靶点，针对其催化活性的抑制剂可能具有临床潜力。

六、研究亮点
1. 创新发现：阐明SIRT5-GLUD1轴在CRC代谢中的核心作用，填补了去戊二酰化修饰在癌症中的功能空白。
2. 方法学：结合GC-MS代谢组学、13C同位素示踪和位点特异性突变，多维度验证假说。
3. 转化意义：为靶向谷氨酰胺代谢的CRC治疗策略提供理论依据。

七、其他价值
研究还发现SIRT5不依赖其他线粒体sirtuin（如SIRT3/4），凸显其功能特异性。此外，GLUD1 K545位点的保守性暗示该机制可能适用于其他癌症类型。