基于底物探针的超分辨成像揭示葡萄糖与丝氨酸转运蛋白纳米级组装调控肿瘤代谢重编程的分子机制

本研究针对肿瘤代谢重编程中丝氨酸(Ser)转运蛋白(SerTs)与葡萄糖转运蛋白(GluTs)的纳米级空间组织机制这一科学难题，开发了特异性荧光探针Ser-probe，通过直接随机光学重构显微技术(dSTORM)首次揭示了SerTs/GluTs的恶性相关簇状组装模式。研究发现其共定位程度与PHGDH表达呈正相关，并证实脂筏和糖基化交联协同稳定转运体超分子平台。通过靶向破坏该空间组织，显著增强了PHGDH抑制剂的抗肿瘤效果，为代谢靶向治疗提供了新策略。

　　

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在肿瘤代谢研究中，丝氨酸(Ser)作为连接一碳代谢、核苷酸合成和氧化还原平衡的核心节点，其动态平衡对癌细胞存活至关重要。然而，癌细胞如何协调内源性合成与外源性摄取的双重调控机制，尤其是膜转运蛋白的空间组织如何参与这一过程，始终是未解之谜。传统技术因分辨率限制和探针缺乏，难以解析Ser转运蛋白(SerTs)的纳米级分布特征，更无法揭示其与葡萄糖转运蛋白(GluTs)的功能耦合关系。

为解决这一挑战，国内研究团队创新性地开发了基于丝氨酸底物的荧光探针Ser-probe，结合直接随机光学重构显微技术(dSTORM)，实现了对SerTs的超高分辨率成像。研究发现不同恶性程度的乳腺癌细胞(MCF7和MDA-MB-231)呈现显著差异的SerTs簇状组装模式，且簇状程度与细胞摄取效率正相关。通过双色dSTORM成像，首次发现PHGDH高表达的MCF7细胞中SerTs/GluTs共定位更显著，提示两种转运蛋白的空间协同与细胞对合成/摄取通路的依赖程度相关。机制研究表明，胆固醇依赖性脂筏和N-糖基化交联共同维持了这种功能性超分子组装。

研究采用的关键技术包括：1）设计合成特异性靶向SerTs的小分子探针Ser-probe；2）应用dSTORM实现<20 nm分辨率成像；3）SR-Tesseler算法定量分析纳米簇参数；4）流式细胞术检测丝氨酸摄取效率；5）通过糖苷酶处理和甲基-β-环糊精干预验证稳定机制。

研究结果部分：

1. SerTs的恶性特异性簇状组装与转运能力相关

   dSTORM显示从正常乳腺细胞MCF10A到高转移性MDA-MB-231细胞，SerTs膜点密度增加2.5倍，簇面积扩大94.7%。流式实验证实簇状程度与FITC-Ser摄取效率呈正相关，外源Ser补充可进一步促进簇形成。

2. SerTs/GluTs共定位维持丝氨酸稳态

   双色成像发现PHGDH高表达的MCF7细胞中，SerTs/GluTs共定位区域覆盖率达4.23%，显著高于MDA-MB-231细胞的1.41%。葡萄糖剥夺使共定位程度降低37.8%，证实空间组织与代谢途径的功能耦合。

3. 脂筏与糖基化协同稳定转运体簇

   MβCD破坏脂筏使SerTs簇面积缩小56.4%，肽-N-糖苷酶F处理导致共定位系数V_CBC下降23.5%，表明胆固醇微区和糖链交联共同支架转运体纳米域。

4. 靶向空间组织增强PHGDH抑制疗效

   低剂量CBR-5884使SerTs/GluTs共定位提升25.1%，而联合葡萄糖限制或游离唾液酸(Sia)可逆转此效应，使细胞存活率降至78.8%，证实破坏转运体簇可克服代谢补偿机制。

这项研究开创性地建立了肿瘤代谢与膜蛋白空间拓扑的关联框架，揭示转运体纳米级组织是可靶向的代谢脆弱点。所开发的Ser-probe为超分辨研究提供了新型分子工具，而"糖基竞争-解簇"策略为克服PHGDH抑制剂耐药提供了新思路。论文发表于《Research》杂志，为理解肿瘤代谢可塑性提供了纳米尺度的全新视角。