Cell重磅｜得克萨斯大学西南医学中心新发现！破解高级别胶质瘤进展之谜，AGAT/GAA代谢轴串联肿瘤代谢与神经微环境

研究团队首先收集91例成人脑组织样本，涵盖LGG、HGG、脑转移瘤和非恶性脑组织（NMBS），并结合代谢组学、脂质组学和转录组学进行系统分析分析显示，HGG、LGG、脑转移瘤和NMBS具有明显不同的整体代谢特征，不同组织学类型、肿瘤分级及部分分子亚型也呈现出一定的代谢差异。IDH突变相关2-HG升高等经典代谢特征得到验证，支持该数据集的可靠性。

进一步比较HGG与非恶性脑组织后，研究团队发现了一个显著突出的代谢信号——GAA在HGG中升高约100倍。而肌酸和肌酐水平下降，磷酸肌酸水平没有明显变化，提示HGG并不是简单增强整个肌酸代谢，而可能存在特定的代谢通路重编程。

图1 人脑组织的代谢组学分层

在肌酸合成通路中，AGAT催化精氨酸和甘氨酸生成GAA，随后GAMT将GAA进一步转化为肌酸。因此，研究团队进一步利用稳定同位素示踪分析HGG细胞中GAA的来源。结果显示，GBM胶质瘤干样细胞（GSC）能够利用¹⁵N₄标记的精氨酸、甘氨酸和丝氨酸生成大量GAA，但并未同步增加标记肌酸的生成。同时，GSC能够将生成的GAA持续释放到细胞外。这一现象在多种GSC中均得到验证，而正常人星形胶质细胞及非转化神经干细胞中的GAA水平和分泌均很低。因此，HGG并不是单纯地增强了肌酸合成，而是代谢流截留在GAA这一中间产物，并将其输出至肿瘤微环境。

图2 GAA积累是高级别胶质瘤的代谢特征

为了确认GAA积累并非单一队列中的偶然现象，研究团队进一步分析了独立的人脑代谢组学数据集，结果均显示GAA在HGG中稳定富集，而肌酸合成通路的其他代谢物并未呈现同样的变化。在多种IDH突变型和IDH野生型GSC中，研究人员进一步观察到类似的GAA代谢表型：大多数GSC能够持续合成并分泌GAA，而正常星形胶质细胞及非转化神经干细胞中的GAA生成很低。

TCGA和GTEx数据进一步显示，HGG中负责GAA生成的AGAT表达升高，而下游GAMT及相关肌酸合成酶呈下降趋势。进一步的转录本分析和ATAC-seq提示，AGAT高表达与GATM基因相关调控区域染色质开放及转录因子占据增加有关。患者来源脑组织外植体也验证了这一现象：GBM组织能够大量分泌GAA，而且肿瘤边缘和核心区域的GAA分泌高于肿瘤邻近区域和正常脑组织。这些结果表明，GAA合成和分泌是HGG较为稳定且具有空间特征的代谢重编程。

图3 高级别胶质瘤细胞存在肌酸合成通路瓶颈并分泌GAA

研究团队进一步聚焦于GAA合成通路中的两个关键酶AGAT和GAMT。多组学分析显示，HGG中AGAT普遍升高，而GAA积累与AGAT/GAMT蛋白表达比值呈正相关，且主要由AGAT变化驱动。

为验证AGAT/GAMT失衡与GAA积累之间的因果关系，研究团队进一步利用慢病毒介导的稳定基因表达和CRISPR基因编辑，在NHA细胞中分别构建了AGAT野生型、催化失活突变体、GAMT野生型及催化失活突变体等细胞模型，并通过稳定筛选获得相应细胞系。结果显示，只有具有酶活性的AGAT能够显著促进GAA生成，而补充具有活性的GAMT则可降低GAA积累；相应的催化失活突变体均无法产生这一效应。这些结果证明AGAT增强与GAMT处理能力不足共同造成代谢流截留在GAA节点，从而驱动GAA积累。

图4 AGAT与GAMT表达失衡驱动GAA积累

前述研究表明，HGG细胞能够持续合成并将GAA释放至肿瘤微环境，研究团队进一步探究GAA对肿瘤微环境的影响。由于GAMT缺陷患者由于GAA积累可出现癫痫等神经系统表现，而HGG患者同样常伴有癫痫及其他神经功能异常，同时既往研究已经发现，胶质瘤浸润区域的神经活动明显高于非恶性脑组织。因此，研究团队提出假设：胶质瘤来源的GAA可能是连接肿瘤代谢异常与周围神经元异常兴奋的重要分子。

膜片钳实验显示，GAA能够诱导GABA_A受体相关电流，该效应可被GABA_A受体抑制剂阻断。进一步研究发现，GBM浸润区域的神经元存在KCC2下调和胞内Cl⁻升高，使GABA_A受体激活后的Cl⁻电化学效应发生改变。在这种异常的Cl⁻稳态背景下，GAA激活GABA_A受体后可进一步增强肿瘤相关神经元的兴奋性。动物模型中的多电极阵列、膜片钳及Cl⁻荧光检测进一步证实，GAA能够增加肿瘤浸润脑组织的神经活动，而肿瘤邻近神经元具有更高的胞内Cl⁻水平。由此，研究建立了GAA影响神经元的关键机制：肿瘤来源的GAA可作用于GABA_A受体，并在肿瘤相关神经元异常Cl⁻稳态的共同作用下，促进神经元兴奋。

图5 GAA激活GABA_A受体并调控胶质瘤微环境中的神经元信号

明确GAA能够改变神经元活动后，研究团队进一步在TS516和UTSW63两种GBM细胞中建立了AGAT WT和AGAT KO模型，验证阻断GAA生成是否能够产生抗肿瘤效应。结果发现，AGAT缺失后，肿瘤细胞内GAA积累及GAA分泌均明显下降。值得注意的是，AGAT KO对GBM细胞体外单独培养时的增殖影响有限，但在脑内原位移植模型中却能够明显延长荷瘤小鼠生存期。这说明AGAT/GAA轴的促肿瘤作用并非简单来自对肿瘤细胞自身增殖的直接促进，而与脑部微环境密切相关。进一步分析发现，AGAT KO肿瘤周围神经元cFOS水平降低，同时肿瘤细胞增殖及其与vGLUT1⁺兴奋性神经元的相互作用减少。研究团队随后利用光遗传学增强谷氨酸能神经元活动。结果显示，神经元刺激能够促进AGAT WT肿瘤细胞增殖，但这一效应在AGAT KO肿瘤中明显减弱。这一组实验进一步将AGAT基因状态、GAA水平、神经元活动和肿瘤生长连接起来，证明阻断GAA生成能够削弱肿瘤相关神经信号。

图6 GAA积累促进神经元过度兴奋并增强胶质瘤恶性表型

为了进一步确认神经元是否是GAA促肿瘤作用的关键中介，研究团队建立了神经元–GBM共培养、脑类器官以及皮下移植瘤等多种模型。在神经元与TS516共培养体系中，GAA能够促进肿瘤细胞增殖，但在TS516单独培养时并无明显作用；在脑类器官共培养体系中，GAA同样能够促进GBM细胞迁移。这表明GAA的促肿瘤作用具有明显的神经微环境依赖性。这一结论也得到了体内实验支持。在几乎缺乏脑神经元环境的皮下移植瘤中，AGAT WT与AGAT KO肿瘤的生长差异明显减弱。

随后，研究人员利用神经元特异性hM3Dq DREADD系统，通过DCZ持续增强神经元活动。结果发现，持续激活神经元后，AGAT KO肿瘤原本的生长抑制和生存获益被明显逆转，靠近被激活神经元的肿瘤细胞增殖增加。这一实验进一步证明，神经元活动是AGAT/GAA轴促进胶质瘤进展的重要功能环节。

最后，研究团队借鉴GAMT缺陷症的营养干预策略，通过限制精氨酸并补充鸟氨酸降低AGAT相关代谢流。该干预能够降低肿瘤组织GAA水平，并延长原位GBM荷瘤小鼠生存期，其效果与AGAT遗传学抑制基本一致。

图7 GAA积累以神经元依赖的方式促进高级别胶质瘤生长

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