在肿瘤微环境中存在的多种免疫细胞受到肿瘤细胞及其微环境中信号、营养物质介导的驯化并参与肿瘤的免疫逃逸和助力肿瘤细胞的生长和转移。肿瘤相关巨噬细胞(tumor associated macrophage，TAM)作为一种主要的肿瘤浸润免疫细胞，M1样TAM可能参与抑制肿瘤进展，而M2样TAM能够促进肿瘤的生长、侵袭、血管生成以及化疗抵抗。对于TAM及其亚型的葡萄糖吸收及其胞内代谢如何塑造M2样TAM特异性功能，以促进肿瘤的转移和化疗抵抗是肿瘤免疫学领域亟待探究的一个重要科学问题。

    肿瘤微环境中肿瘤细胞对葡萄糖的吸收和代谢一直以来是肿瘤代谢研究的热点领域，而肿瘤细胞与浸润免疫细胞对营养物质的竞争和代谢开启了肿瘤免疫代谢研究的热潮。己糖胺生物合成途径（HBP）是中心碳代谢的重要分支途径，可合成核苷酸糖 UDP-GlcNAc（尿苷二磷酸-N-乙酰基葡萄糖胺），随后用于调节营养感知和应激反应的细胞内蛋白质的翻译后修饰——O-GlcNAc 糖基化修饰（O-GlcNAcylation）。有研究指出，O-GlcNAc修饰可调节巨噬细胞在病原体感染和炎症中发挥重要作用。然而，O-GlcNAc修饰是否以及如何促进 TAMs 的极化和对肿瘤进展的功能尚不完全清楚。

    2022年9月8日，中国医学科学院基础医学研究所暨中国医学科学院免疫治疗研究中心曹雪涛院士团队在Cancer Cell在线发表了题为“Increased glucose metabolism in TAMs fuels O-GlcNAcylation of lysosomal Cathepsin B to promote cancer metastasis and chemoresistance”的研究论文。该研究报道了肿瘤相关巨噬细胞（tumor associated macrophage，TAM）中葡糖糖代谢通过增强溶酶体组织蛋白酶——Cathepsin B的O连接的N乙酰葡糖胺修饰（ O-linked N-acetylglucosamine，O-GlcNAcylation）促进了肿瘤转移和化疗抵抗，首次揭示了M2样TAM是肿瘤微环境中葡萄糖摄取能力最强的免疫细胞亚群，首次发现了定位于溶酶体的O-连接-N-乙酰葡萄糖胺转移酶（O-Linked N-Acetylglucosamine Transferase，OGT）的新功能。

    该研究首先通过单细胞测序发现M2样TAM中高表达葡萄糖转运蛋白GLUT1（Glucose transporter protein type 1），结合葡萄糖摄取实验，进一步发现M2样TAM是肿瘤微环境中葡萄糖吸收能力最强的免疫细胞亚群。TAM吸收的葡萄糖显著促进葡萄糖代谢重要分支途径——氨基己糖生物合成途径（hexosamine biosynthetic pathway，HBP）的活性，以及HBP依赖的蛋白O连接-N-乙酰葡糖胺糖基化修饰（ O-linked N-acetylglucosamine，O-GlcNAcylation）水平。O-GlcNAcylation修饰是由O-连接的N-乙酰葡萄糖胺转移酶（O-Linked N-Acetylglucosamine Transferase，OGT）介导的，以HBP终产物UDP-GlcNAc为底物对靶蛋白的丝氨酸或苏氨酸进行氧连接的单糖修饰。单细胞测序以及质谱流式CyTOF分析进一步揭示，相较其他髓系细胞，OGT在M2样TAM中特异性高表达。但利用巨噬细胞特异性敲除体系分析发现OGT缺失并不影响IL-4介导的巨噬细胞M2型极化。

    该团队通过蛋白-蛋白相互作用组、溶酶体分离实验和confocal分析发现OGT可定位于溶酶体。蛋白O-GlcNAcylation修饰组进一步聚焦到Cathepsin B的210位丝氨酸（S210）发生O-GlcNAcylation修饰，且M2极化信号和葡萄糖摄取均可促进溶酶体OGT对Cathepsin B的修饰。Cathepsin B是一种半胱氨酸蛋白酶，包括前体和具有酶活性的成熟体，前体在溶酶体中切割成熟，切割成熟的Cathepsin B主要存在于溶酶体中并可分泌到细胞外。利用巨噬细胞OGT条件性敲除小鼠，Cathepsin B S210A点突变表达质粒和订制的Cathepsin B S210-O-GlcNAc位点特异性抗体验证发现，缺失OGT介导的S210位点的O-GlcNAc修饰会导致成熟 Cathepsin B的水平显著减少。

    Cathepsin B作为TAM特异性高表达的组织蛋白酶，介导TME基质重塑，促进肿瘤侵袭。该团队进一步通过体外基质胶Transwell实验以及小鼠皮下B16黑色素瘤、LLC肿瘤自发转移体内模型发现，TAM摄取的葡萄糖通过促进Cathepsin B的O-GlcNAcylation修饰和成熟，进而促进肿瘤的侵袭和肺转移。已有报道表明巨噬细胞分泌的Cathepsin B可介导肿瘤细胞化疗抵抗，该团队进一步深入研究发现，葡萄糖代谢以OGT和Cathepsin B依赖的方式促进肿瘤细胞抵抗化疗药物紫杉醇和奥沙利铂诱导的细胞死亡。且OGT以Cathepsin B依赖的方式促进小鼠皮下B16黑色素瘤、MC38移植瘤的化疗抵抗。且该团队与长海医院合作，分析了55例接受新辅助化疗的结肠癌（CRC）患者的肿瘤样本发现，TAM中 OGT表达与TME中Cathepsin B的表达显著正相关，且OGT和Cathepsin B的表达都与化疗疗效和化疗后的生存期显著负相关。

亮点：

1.在TME（肿瘤微环境）中，与M1样TAM及其他免疫细胞相比，M2样TAM具有更强的单细胞葡萄糖吸收能力；
2.TAM吸收的葡萄糖通过HBP途径促进溶酶体OGT对Cathepsin B进行O-GlcNAc糖基化修饰；
3. OGT介导Cathepsin B的O-GlcNAc糖基化修饰可以维持高水平的成熟体Cathepsin B；
4. TAM分泌的Cathepsin B促进肿瘤细胞的侵袭转移和化疗抵抗。

Highlights

•M2-like TAMs bear highest capacity to take up intratumoral glucose among immune cells

•Increased glucose uptake in M2-like TAMs fuels HBP for protein O-GlcNAcylation

•Lysosomal OGT mediates Cathepsin B O-GlcNAcylation to elevate its mature form

•OGT in TAMs promotes tumor metastasis and chemoresistance through Cathepsin B

摘要 Summary

How glucose metabolism remodels pro-tumor functions of tumor-associated macrophages (TAMs) needs further investigation. Here we show that M2-like TAMs bear the highest individual capacity to take up intratumoral glucose. Their increased glucose uptake fuels hexosamine biosynthetic pathway-dependent O-GlcNAcylation to promote cancer metastasis and chemoresistance. Glucose metabolism promotes O-GlcNAcylation of the lysosome-encapsulated protease Cathepsin B at serine 210, mediated by lysosome-localized O-GlcNAc transferase (OGT), elevating mature Cathepsin B in macrophages and its secretion in the tumor microenvironment (TME). Loss of OGT in macrophages reduces O-GlcNAcylation and mature Cathepsin B in the TME and disrupts cancer metastasis and chemoresistance. Human TAMs with high OGT are positively correlated with Cathepsin B expression, and both levels predict chemotherapy response and prognosis of individuals with cancer. Our study reports the biological and potential clinical significance of glucose metabolism in tumor-promoting TAMs and reveals insights into the underlying mechanisms.

该研究的创新性及生物学意义主要包括：

1. 首次揭示了TAM竞争性摄取葡萄糖的病理意义，即TAM竞争性摄取葡萄糖促进HBP和OGT介导的Cathepsin B的O-GlcNAcylation修饰及后续的成熟和分泌，进而促进肿瘤的转移和化疗抵抗。这一发现进一步揭示肿瘤免疫代谢和肿瘤免疫逃逸的新型机制，有助于设计针对TAM葡萄糖吸收、O-GlcNAc糖基化修饰的肿瘤治疗方法。

2. 发现亚细胞定位的OGT具有相应的功能，OGT可以定位于溶酶体并在其中修饰包括半胱氨酸蛋白酶之类的靶蛋白而调控了溶酶体在肿瘤转移与化疗抵抗中的作用，该发现拓展了我们对OGT、溶酶体生物学功能的认识。

3. 首次揭示了翻译后修饰对溶酶体半胱氨酸蛋白酶蛋白水平的调控，有助于进一步探索特殊蛋白在溶酶体中稳定存在的分子机理。

    总之，在该研究中，研究团队首次阐明了TAM，尤其是M2样TAM竞争性摄取和利用葡萄糖对于塑造细胞特异性促肿瘤功能的重要意义，为肿瘤治疗提供了潜在的靶点。

    基础医学研究所曹雪涛院士和海军军医大学医学免疫学国家重点实验室张迁教授为论文的共同通讯作者，基础医学院博士后史青竹和海军军医大学医学免疫学国家重点实验室沈奇骢副教授为论文的共同第一作者。

原文链接：https://www.cell.com/cancer-cell/fulltext/S1535-6108(22)00376-2 

DOI: https://doi.org/10.1016/j.ccell.2022.08.012