PRODH2介导的骨代谢微环境促进乳腺癌转移

   乳腺癌常发生骨转移，但针对骨转移性乳腺癌的治疗手段十分有限。骨转移微环境中的氨基酸代谢被重编程，提示这可能是一个可靶向的薄弱环节。在本研究中，作者聚焦于羟脯氨酸（Hyp）的代谢——这种由骨胶原降解产生的关键氨基酸，是骨转移的重要生物标志物。在临床获取的乳腺癌骨转移样本中，Hyp代谢的核心酶——脯氨酸脱氢酶2（PRODH2）表达显著上调。值得注意的是，PRODH2介导的Hyp代谢可驱动破骨细胞分化，加剧胶原降解，并在体内促进乳腺癌骨转移。此外，PRODH2分别通过上调铁死亡抑制因子SLC7A11和骨转移相关因子CXCL8（IL8），维持肿瘤细胞存活并促进破骨细胞分化。更有趣的是，PRODH2催化Hyp代谢产生的乙酰辅酶A可增强转录因子YY1的乙酰化，从而协同激活SLC7A11和IL8的转录。重要的是，使用PRODH2抑制剂能有效阻断这一骨转移级联反应。综上，骨溶解导致的胶原降解产生Hyp，反过来又强化破骨细胞分化与转移，形成恶性循环。总之，作者的研究揭示的PRODH2–SLC7A11–IL8轴在促进乳腺癌骨转移中的作用，为开发新的治疗策略提供了理论依据。该研究于2025年8月发表在《Cancer Research》，IF 16.6分。

技术路线：

主要研究结果：

1、PRODH2介导的Hyp代谢促进乳腺癌骨转移

   鉴于骨胶原在骨基质代谢及转移中的关键作用，以及骨转移会伴随胶原降解并释放羟脯氨酸（Hyp）的事实，作者分析了Hyp代谢关键酶PRODH2在乳腺癌中的分布与功能。免疫组化显示，与原位乳腺癌、非骨转移乳腺癌及正常乳腺组织相比，骨转移灶中PRODH2表达显著升高（图1A）。与之吻合，高骨转移潜能细胞系（JIMT-1、HCC1806、SCP2）的PRODH2水平明显高于低骨转移潜能细胞系（MCF7、SKBR3、MDA-MB-231、4175、4T1）。

   为进一步验证功能，作者构建了PRODH2稳定过表达的MDA-MB-231、MCF7细胞，并在高骨转移SCP2细胞中敲除PRODH2（图1B）。体外共培养实验显示，无外源Hyp时PRODH2不影响破骨细胞分化；而加入Hyp后，PRODH2过表达细胞的条件培养基（CM）显著增加多核破骨细胞数量，PRODH2敲除CM则抑制分化（图1C）。

   小鼠胫骨注射模型中，PRODH2显著促进乳腺癌细胞在骨微环境中的定植与生长，并伴随更多破骨细胞分化（图1D）。心内注射模型进一步表明，PRODH2敲除显著降低骨转移负荷、减少破骨细胞分化及胶原降解，提高骨小梁相对体积、数量和厚度，缩小骨小梁分离度（图1E–G）。超低吸附实验显示，PRODH2缺失不影响循环肿瘤细胞存活，提示其关键作用发生在骨定植阶段而非血行存活。值得注意的是，PRODH2过表达显著提高胫骨及血清Hyp水平，敲除则相反（图1D、F）。综上，PRODH2通过诱导破骨细胞分化与胶原降解促进乳腺癌骨转移。

图1：PRODH2介导的低代谢促进乳腺癌骨转移

2、PRODH2通过调控IL8分泌促进破骨细胞分化

   为解析机制，作者经4轮体内胫骨筛选建立高骨转移亚系MDA-MB-231-BM4。生物发光成像（BLI）显示，BM4细胞仅需3周即可在骨内形成强信号，而亲本细胞需5周（图2A）。伴随骨趋向性增强，BM4细胞PRODH2表达及胫骨Hyp浓度显著升高。

   RNA-seq与GSEA分析发现，BM4细胞中骨重塑因子富集、铁死亡通路受抑（图2B）。qPCR验证显示，IL8在PRODH2过表达及BM4细胞中增幅最大（图2C）。ELISA亦证实，PRODH2过表达CM中IL8分泌升高，敲除则降低（图2D）。临床数据集GSE2603表明，IL8高表达与乳腺癌患者无转移生存期缩短显著相关（r = –0.294，P < 0.01）。

   功能实验显示，重组IL8显著增强Hyp诱导的破骨细胞分化，而shRNA或中和抗体敲低IL8则有效逆转PRODH2过表达细胞的促分化效应（图2E）。体内实验中，IL8敲低显著抑制SCP2骨转移、破骨细胞分化及胶原降解，并降低胫骨Hyp水平（图2F、G）。因此，PRODH2通过上调IL8分泌驱动破骨细胞分化，加速乳腺癌骨转移。

图2：PRODH2调节il - 8分泌，促进破骨细胞分化

3、PRODH2抑制乳腺癌细胞的铁死亡

   在骨转移模型中，MDA-MB-231-BM4细胞表现出PRODH2升高并伴随铁死亡受抑，促使作者进一步探究机制。骨转移灶缺氧可通过hepcidin诱导铁过载。作者推测，缺氧且富铁的骨微环境会筛选出天生耐铁死亡的肿瘤亚克隆，其中PRODH2上调正是早期定植、氧化与代谢应激峰值时的关键生存机制。

   在骨转移灶中，MDA-MB-231-BM4细胞的经典铁死亡标志物MDA与4HNE水平下降（图3A）。心内注射模型中，仅铁死亡抑制剂Fer-1可逆转PRODH2敲除导致的骨转移抑制，而凋亡、坏死性凋亡及自噬抑制剂均无效。

   体外构建肿瘤细胞-破骨细胞共培养体系，加入Ⅰ型胶原后，PRODH2过表达提高Hyp水平并减轻erastin/RSL3诱导的铁死亡；敲除则相反。若无胶原或破骨细胞，Hyp与细胞活性均无显著变化。

   进一步证实，Hyp处理仅在PRODH2过表达细胞中增强其对铁死亡诱导剂的抵抗；敲除则失去该效应（图3B）。提示肿瘤细胞-破骨细胞互作促进胶原降解释放Hyp，进而诱导肿瘤细胞耐铁死亡。

   增殖曲线显示，无论有无Hyp，PRODH2过表达或敲除均不影响细胞增殖，说明细胞活性与骨定植差异源于铁死亡抵抗而非增殖差异。

   机制层面，流式及荧光显微镜示PRODH2过表达显著削弱erastin诱导的脂质过氧化；敲除则加剧（图3C、D）。电镜下，Hyp+erastin处理时，PRODH2过表达抑制线粒体破裂与嵴结构丢失，敲除则加重（图3E）。综上，PRODH2抑制乳腺癌细胞铁死亡。

图3：PRODH2抑制乳腺癌细胞铁下垂

4、PRODH2 抑制铁死亡并调控破骨细胞分化

   为阐明 PRODH2 介导的铁死亡抑制机制，作者进行了代谢组学分析。在 Hyp 存在下，PRODH2 过表达细胞的 GSH 代谢通路显著富集，谷氨酸与 GSH 水平升高（图 4A）。作为最主要的铁死亡抑制剂，GSH 通过 SLC7A11 依赖的半胱氨酸摄取合成（24）。作者发现，PRODH2 过表达提高胞内 GSH 含量，而敲除则降低其水平（图 4B）；且仅调控 SLC7A11 表达，不影响其他铁死亡相关蛋白或 Fe²⁺水平（图 4C、D）。

   救援实验显示，在 PRODH2 过表达背景下敲低 SLC7A11 可逆转 GSH 升高（图 4E）、加剧脂质过氧化（图 4F）并抑制破骨细胞分化（图 4G）。相反，于 PRODH2 敲除细胞中过表达 SLC7A11 则恢复上述表型。体内模型进一步证实，sgPRODH2 细胞中回补SLC7A11 可促进破骨细胞生成与胶原降解（图 4H）。因此，PRODH2 通过上调 SLC7A11、增加 GSH 合成来抵抗铁死亡。

图4：PRODH2抑制铁下垂，调节破骨细胞分化

5、PRODH2-Hyp 通过增强 YY1 乙酰化促进骨转移

   肿瘤细胞-破骨细胞共培养（+Ⅰ型胶原）体系显示，PRODH2 过表达协同上调 SLC7A11 与 IL8 的转录及蛋白水平，敲除则相反。为解析其机制，作者采用 CAPTURE-质谱筛选 SLC7A11/IL8 启动子结合蛋白，并经 qRT-PCR 与ChIP 验证 YY1 及其乙酰转移酶 KAT7 可直接结合两基因启动子并调控转录（图 5A–C）。

   已知 YY1 的转录活性受其磷酸化、乙酰化、泛素化等修饰调节。作者发现，PRODH2 过表达显著提高胞内乙酰辅酶 A 与丙酮酸水平，而催化失活突变体 Y446A 无此效应，提示酶活性为乙酰辅酶 A 生成所必需。乙酰辅酶 A 介导赖氨酸乙酰化，动态调节蛋白功能。共免疫沉淀-质谱及原位 PLA 显示，PRODH2 增强 KAT7 与 YY1 的结合（图 5E–G），并促进 YY1-K230 位乙酰化（图 5H）。失活突变体丧失该能力，而外源乙酰辅酶 A 可恢复 YY1-K230 乙酰化及其转录活性。

   此外，PRODH2 延长 YY1 蛋白半衰期，而 K230R 突变缩短之（图 5I）。机制上，PRODH2 通过 KAT7 介导的乙酰化抑制 YY1 泛素化降解（图 5J）；K230R 或 siKAT7 均增加 YY1 泛素化（图 5K）。双荧光素酶报告实验表明，K230R 抑制 PRODH2 介导的 YY1 转录活性，而 K230Q（乙酰化模拟）维持其持续激活（图 5L）。综上，PRODH2 以乙酰辅酶 A 依赖方式促进 KAT7 对 YY1-K230 的乙酰化，抑制其泛素化降解，从而协同上调 SLC7A11 与 IL8。

图5：PRODH2介导的Hyp通过增强YY1乙酰化促进骨转移

6、药物抑制 PRODH2 阻断乳腺癌骨转移

   最后，作者评估了 PRODH2 抑制剂（N-丙炔甘氨酸）的干预效果。体外实验显示，该抑制剂显著抑制破骨细胞分化（图 6A）。体内实验进一步证实，其可显著减少骨转移灶、破骨细胞生成及胶原降解（图 6B）。动物模型 IHC 显示，PRODH2 敲除降低 YY1 核定位及 SLC7A11、IL8 表达（图 6C）。临床骨转移标本分析亦验证 PRODH2–SLC7A11–IL8 轴的相关性（图 6D）。

   综上所述，PRODH2 通过抑制铁死亡、刺激破骨细胞分化，加速胶原降解，从而促进乳腺癌骨转移（图 6E），为其靶向治疗提供了理论依据。

图6：体内药物抑制PRODH2可阻断乳腺癌细胞骨转移

结论：

   总体而言，作者的研究证实，羟脯氨酸（Hyp）代谢重编程通过一种全新的PRODH2介导机制，成为乳腺癌骨转移的关键调控环节。具体而言，Hyp来源的乙酰辅酶A促进KAT7依赖的YY1-K230位点乙酰化，进而协同上调SLC7A11（赋予铁死亡抵抗）和IL8（促进破骨细胞生成），形成维持转移进展的正反馈环路。该发现不仅揭示了骨转移微环境中此前未被认识的代谢-表观遗传交叉对话，也为治疗骨转移性乳腺癌提供了可干预的新靶点。

参考文献：

Gong H, Li Y, Yang W, Xie Z, Hu J, Li P, Xu R, Li Y, Tao T, Li R, Liu S, Zhu Y, Song L, Fang L. PRODH2-Mediated Metabolism in the Bone Microenvironment Promotes Breast Cancer Metastasis. Cancer Res. 2025 Aug 1. doi: 10.1158/0008-5472.CAN-24-4391. Epub ahead of print. PMID: 40749014.