KRAS突变诱导的精氨酸营养缺陷型代谢重编程为非小细胞肺癌提供治疗新靶点

作者及发表信息
本研究的通讯作者为Min Huang（中国科学院上海药物研究所）和Congying Pu（中国科学院上海药物研究所），第一作者为Xiameng Gai和Yingluo Liu等。研究团队来自南昌大学、中国科学院上海药物研究所、浙江大学、复旦大学等多所机构。论文于2024年6月15日发表在期刊*Cancer Research*（2024;84:1963–77），标题为《Oncogenic KRAS induces arginine auxotrophy and confers a therapeutic vulnerability to SLC7A1 inhibition in non–small cell lung cancer》。

学术背景
KRAS是肺癌中最常见的致癌驱动基因之一，约25%的肺腺癌和3%的鳞癌存在KRAS突变。尽管针对KRAS-G12C的小分子抑制剂（如AMG-510）已取得进展，但患者响应率有限。代谢重编程是KRAS激活的核心事件之一，但KRAS如何调控尿素循环代谢尚不明确。本研究聚焦于KRAS突变如何通过抑制尿素循环关键酶ASS1（精氨琥珀酸合成酶1，argininosuccinate synthase 1），导致肿瘤细胞依赖外源精氨酸摄取，并揭示靶向精氨酸转运蛋白SLC7A1的治疗潜力。

研究流程与实验设计
1. KRAS突变与ASS1表达的关系
- 模型构建：在人类支气管上皮细胞BEAS-2B和小鼠前B细胞BA/F3中引入KRAS-G12D/G12V突变，通过RNA测序（RNA-seq）和免疫印迹分析发现ASS1表达显著下调，而其他尿素循环酶（如ASL、ARG2）未受影响。
- 临床样本验证：在KRAS突变型非小细胞肺癌（NSCLC）细胞系（如H1792、SW1573）中敲低KRAS或使用KRAS抑制剂AMG-510，均能恢复ASS1表达；KRAS转基因小鼠的肺肿瘤组织中也观察到ASS1蛋白水平降低。

1. 代谢机制解析

   • 精氨酸合成缺陷：通过同位素标记实验（13C6-精氨酸、15N-天冬氨酸）发现，KRAS突变细胞无法有效利用瓜氨酸合成精氨酸，导致细胞内精氨酸池减少。
     
   • 天冬氨酸代谢重定向：ASS1沉默使天冬氨酸从尿素循环转向嘧啶合成，促进DNA复制（通过BrdU掺入实验验证）。敲除线粒体天冬氨酸转运蛋白SLC25A13（citrin）可逆转KRAS促增殖效应。
     

2. 表观遗传调控机制

   • HDAC3依赖的转录抑制：染色质免疫沉淀（ChIP-qPCR）显示，KRAS激活导致ASS1启动子区组蛋白H3K9和H3K27乙酰化水平降低，依赖MAPK信号通路。使用HDAC抑制剂（如SAHA）或敲低HDAC3可恢复ASS1表达。
     
   • 转录因子调控：筛选发现c-Myc是ASS1的关键激活因子，KRAS通过抑制c-Myc与ASS1启动子的结合实现转录沉默。
     

3. 治疗策略开发

   • 精氨酸剥夺实验：在KRAS突变NSCLC细胞中，精氨酸剥夺显著抑制细胞增殖，且无法被瓜氨酸挽救；体内实验显示，精氨酸限制饮食（AD）可抑制移植瘤生长（如A549、PDX模型LU99）。
     
   • 靶向SLC7A1：KRAS突变细胞依赖SLC7A1（而非SLC7A2）摄取外源精氨酸。敲低SLC7A1可抑制精氨酸内流、多胺合成和mTORC1信号通路；在PDX来源的类器官和体内模型中，SLC7A1沉默显著延缓肿瘤进展。
     
   • 联合治疗：SLC7A1抑制与AMG-510联用表现出协同效应，克服KRAS抑制剂耐药性。
     

主要结果与逻辑关联
- 发现阶段：KRAS突变特异抑制ASS1，导致精氨酸营养缺陷（图1）。
- 机制阶段：ASS1沉默通过重定向天冬氨酸促进嘧啶合成（图3），同时依赖HDAC3-c-Myc轴实现表观遗传调控（图4）。
- 转化阶段：SLC7A1是KRAS突变细胞的精氨酸主要转运体，其抑制可阻断肿瘤生长（图5）。

结论与价值
1. 科学价值：首次阐明KRAS通过HDAC3-c-Myc轴沉默ASS1的机制，揭示了尿素循环与嘧啶代谢的交互作用。
2. 应用价值：提出靶向SLC7A1或精氨酸剥夺作为KRAS突变NSCLC的潜在疗法，尤其是与KRAS抑制剂联用的策略。
3. 临床意义：TCGA数据分析显示，SLC7A1高表达的KRAS突变肺癌患者预后更差，支持其作为生物标志物的潜力。

研究亮点
- 创新性发现：KRAS突变通过代谢-表观遗传交叉调控诱导ASS1依赖性，提出“精氨酸营养缺陷”新概念。
- 方法学创新：整合同位素代谢流分析、类器官模型和PDX模型，多维度验证靶点有效性。
- 转化潜力：SLC7A1抑制剂可能成为首个针对KRAS突变代谢弱点的临床候选药物。

其他价值
研究还发现，精氨酸剥夺可抑制mTORC1信号，而SLC7A1在肿瘤微环境中的选择性表达可能减少免疫治疗副作用，为联合免疫检查点抑制剂提供理论依据。