Targeting PGM3 abolishes SREBP-1 activation-hexosamine synthesis feedback regulation to effectively suppress brain tumor growth.

1.논문 제목: Targeting PGM3 abolishes SREBP-1 activation-hexosamine synthesis feedback regulation to effectively suppress brain tumor growth.

2.저자명: Huali Su, Yaogang Zhong, Liqing He, Feng Geng, Xinmin Yin, Yongjun Kou, Cheng-Yao Chiang, Xiaokui Mo, Yunzhou Fan, Yanwei Liu, Qiang Wang, Shino Magaki, Timothy F. Cloughesy, Etienne Lefai, William H Yong, Arnab Chakravarti, Xiang Zhang, and Deliang Guo

3.Publish :  18 April 2025

4.DOI : 10.1126/sciadv.adq0334

5.Abstract: Glioblastoma (GBM) exhibits elevated hexosamine biosynthesis pathway (HBP) activity to sustain rapid tumor growth through enhanced glycosylation and lipid synthesis. Although glutamine–fructose-6-phosphate aminotransferase 1 (GFAT1) is considered the rate-limiting enzyme in HBP, its inhibition showed minimal therapeutic efficacy in GBM due to compensatory activation of the N-acetylglucosamine kinase (NAGK)–mediated hexosamine salvage pathway. In contrast, inhibition of phosphoglucomutase 3 (PGM3), a downstream enzyme controlling both de novo and salvage flux, effectively suppressed GBM growth in vitro and in orthotopic mouse models. Mechanistically, PGM3 inhibition reduced global glycosylation, destabilized SCAP via decreased N-glycosylation, and suppressed SREBP-1 activation, leading to downregulation of lipogenic genes. Furthermore, SREBP-1 transcriptionally upregulated multiple HBP enzymes, establishing a positive feedback loop between hexosamine synthesis and SREBP-1 signaling. Disruption of this loop by targeting PGM3 significantly prolonged survival in GBM-bearing mice. These findings identify PGM3 as a promising therapeutic target and reveal a metabolic feedback circuit essential for GBM progression.

6.한글 초록: 교모세포종(GBM)은 단백질 및 지질의 당화 증가를 통해 종양 성장을 촉진하기 위해 hexosamine biosynthesis pathway(HBP)를 활성화한다. 기존에는 속도결정효소인 GFAT1이 주요 치료 타겟으로 여겨졌으나, 본 연구에서는 GFAT1 억제가 NAGK 매개 salvage pathway의 보상작용으로 인해 제한적인 효과만을 보임을 확인하였다. 반면 de novo 및 salvage 경로의 공통 flux를 조절하는 PGM3를 억제할 경우, 세포 및 동물모델에서 GBM 성장이 효과적으로 억제되었다. PGM3 억제는 전체 당화를 감소시키고 SCAP의 N-glycosylation을 저하시켜 SREBP-1 활성을 억제하며, 이에 따라 지질합성 유전자 발현이 감소하였다. 또한 SREBP-1은 HBP 효소들의 전사를 직접 촉진하여 양성 피드백 루프를 형성함이 확인되었다. PGM3 표적화는 이 대사적 피드백 회로를 차단하여 생존기간을 유의하게 연장하였다. 본 연구는 GBM 치료에서 PGM3를 유망한 대사 표적으로 제시한다.

7.한글 요약본

Introduction: Hexosamine biosynthesis pathway(HBP)는 해당과정의 분지 경로로, 최종 산물인 UDP-GlcNAc를 생성하여 단백질 및 지질의 N- 및 O-linked glycosylation에 사용된다. 암세포는 빠른 증식과 대사 재편성을 위해 HBP를 활성화하며, 이는 종양 성장에 중요한 역할을 한다. 특히 교모세포종(GBM)은 예후가 매우 불량하며 새로운 치료 표적 발굴이 절실하다. 기존 연구에서는 HBP의 속도결정효소 GFAT1을 표적으로 삼는 전략이 제시되었으나, 실제 GBM에서 어떤 효소가 가장 효과적인 타겟인지 명확하지 않았다. 한편 SREBP-1은 지질합성을 조절하는 핵심 전사인자로, SCAP의 N-glycosylation에 의해 안정화되며 GBM에서 과활성화되어 있다. 그러나 HBP와 SREBP-1 간의 상호조절 기전은 규명되지 않았다. 본 연구는 HBP 각 효소의 기능적 중요성을 비교하고, SREBP-1과의 대사적 피드백 관계를 규명하고자 하였다.

Method : 환자 유래 GBM primary cell과 U251, U87 등의 세포주를 사용하였다. GFAT1, NAGK, PGM3 등을 shRNA 또는 siRNA로 knockdown 하였고, colony formation 및 neurosphere assay로 증식능을 평가하였다. 13C-glucose 및 13C-GlcNAc tracing을 통해 de novo 및 salvage pathway flux를 분석하였다. Glycosylation 수준은 WGA lectin blot과 PHA-L 염색으로 평가하였다. SCAP의 N-glycosylation 및 SREBP-1 활성은 western blot, qPCR, ChIP assay, luciferase reporter assay로 분석하였다. In vivo 실험으로는 orthotopic intracranial xenograft mouse model을 구축하여 bioluminescence imaging과 Kaplan–Meier 생존 분석을 수행하였다. 또한 TCGA 및 환자 TMA 조직을 활용하여 IHC 분석을 진행하였다.

Results : GFAT1 억제는 대부분의 GBM 세포에서 증식 억제 효과가 미미했으며, 이는 NAGK 매개 salvage pathway 활성 때문임을 확인하였다. 반면 PGM3 또는 UAP1 억제는 모든 GBM 세포에서 colony 형성을 강력히 억제하였다. 13C tracing 결과 PGM3는 de novo와 salvage 경로 모두에 필수적임이 확인되었다. PGM3 knockdown은 전반적인 glycosylation을 감소시키고 SCAP의 N-glycosylation을 저하시켜 SREBP-1 활성형을 감소시켰으며, FASN과 SCD1 발현이 억제되었다. 또한 SREBP-1은 GFAT1, GNPNAT1, PGM3, UAP1의 promoter에 직접 결합하여 전사를 촉진하는 것으로 나타났다. 즉, SREBP-1과 HBP 사이에 양성 피드백 루프가 존재함을 규명하였다. Orthotopic mouse model에서 PGM3 knockdown은 종양 형성을 거의 완전히 억제하고 생존기간을 유의하게 연장하였다. 반면 GFAT1 또는 NAGK 억제는 생존에 큰 영향을 주지 못하였다.

8.대표 Figure