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惡性良性腫瘤發生，化療耐藥，竟都與它有關？
撰文 | 山頂上的小石頭
近些年來，關于乳酸化修飾在惡性良性腫瘤細胞代謝組學相關機制的研究逐漸成為一大熱點，随着研究者們對乳酸化修飾及DNA損傷修複的了解和認識不斷加深，關于乳酸在惡性良性腫瘤細胞發生及治療耐藥機制的探索也取得了最新的進展。近日，Cell雜志對該進展進行了全面的報道，為未來惡性良性腫瘤治療提供了潛在的靶點和治療選擇。
AARS1通過乳酸化P53促進惡性良性腫瘤發生
2024年4月22日，Cell雜志上全文發表了蘇州大學周芳芳教授團隊的最新發現：惡性良性腫瘤來源的乳酸作為p53的天然抑制因子，丙氨酰tRNA合成酶（AARS1）可通過直接結合的形式催化全局賴氨酸乳酸化，誘發DNA結合受損和轉錄活性下降，最終促進惡性良性腫瘤的發生。
通過評估TCGA乳腺癌資料集，研究者發現，在野生型p53患者中，血清乳酸水準較高的患者p53信号通路得分顯著降低，提示惡性良性腫瘤中的乳酸可能會抑制p53的功能。在轉基因乳腺癌小鼠模型中，惡性良性腫瘤的乳酸水準随惡性良性腫瘤發展程序逐漸升高，且與惡性良性腫瘤負荷呈正相關，提示細胞内的乳酸堆積可能會加速惡性良性腫瘤的進展。并且，在對模型小鼠進行乳酸脫氫酶（LDHA）敲除後，可以觀察到惡性良性腫瘤形成的延遲、惡性良性腫瘤乳酸和惡性良性腫瘤負荷的降低及p53活性的提升。
為了明确介導惡性良性腫瘤來源p53乳酸化過程的關鍵蛋白，研究者通過全基因組CRISPR篩選的方式篩選出了關聯性最強的AARS1。作為氨酰 tRNA 合成酶 (ARS) 家族的成員，AARS1在蛋白質翻譯過程中可以催化丙氨酸與 tRNA (Ala) 的附着。AARS1 耗盡會升高p53 靶基因的表達，使其對乳酸誘導的抑制反應脫敏，使得惡性良性腫瘤細胞的增殖、集落形成和異種移植惡性良性腫瘤生長顯着減少。
在對乳酸化修飾蛋白進行的蛋白質組學分析中，當AARS1短暫耗竭時，約有80%的Kla修飾肽段和蛋白的強度顯著下降，其中10%的肽段和蛋白強度下降了10倍以上；相反，在過表達AARS1的惡性良性腫瘤細胞中，90%的乳酸化肽和蛋白強度顯著增加，其中近50%增強了10倍以上。以上結果均表明，AARS1是細胞中整體賴氨酸乳酸化的關鍵媒介。
為了明确AARS1介導乳酸化的機制，研究者進行了一系列的體外生化實驗，最終結果顯示：AARS1直接與乳酸結合，形成中間産物乳酸-AMP，該産物共價結合于賴氨酸受體端，釋放AMP進而介導乳酸化過程。
通過對轉染AARS1并經過乳酸鈉處理的細胞進行質譜分析，研究者發現，K120和K139為p53上的乳酸化結合位點。為了明确p53 DNA結合域（DBD）上調控乳酸化活性的分子機制，在建構位點特異性p53乳酸化突變體後，研究者進一步進行了細胞和動物實驗。觀察結果顯示，突變體中出現了DNA結合受損、液-液相分離（LLPS）減弱和轉錄活性減低的現象，尤其在惡性良性腫瘤模型的小鼠中表現出了更強的緻瘤性，最終導緻了惡性良性腫瘤的發生。對于患者來源的組織樣本測定也支援了以上發現。而β-丙氨酸通過與AARS1的競争性結合，可以有效控制p53失活，提高化療效果，為惡性良性腫瘤治療中的協同增效提供了非常富有前景的研究方向。
MRE11乳酸化對同源重組修複的代謝調控
無獨有偶，在此之前，同濟大學袁健教授團隊也曾在Cell發表題為“Metabolic regulation of homologous recombination repair by MRE11 lactylation”的研究，為我們闡述DNA損傷修複的關鍵蛋白MRE11通過乳酸化修飾促進同源重組修複（HR），最終導緻化療耐藥的分子生物學機制，也為化療耐藥的幹預提供了新的治療靶點和方向。
在該研究的主要結果中，乳酸化的具體作用機制如下：
1促進DNA損傷修複及化療耐藥
LDHA是體内介導乳酸生成的主要酶，乳酸的生成可以進一步促進蛋白質的乳酸化，而LDHA表達水準偏低的患者往往會表現出更高的HRD評分。為了明确高水準的乳酸或蛋白質乳酸化在HR修複中的作用，研究者在使用乳酸鈉處理細胞後進行了HR報告基因分析，觀察顯示細胞的泛乳酸化及HR修複的增強，DNA的損傷修複也得到了促進。使用LDH抑制劑後，上述結果均被抑制。癌細胞實驗則觀察到了其對于順鉑或奧拉帕利治療的耐藥性。
2CBP通過MRE11 K673位點實作乳酸化
以上實驗中，研究者觀察到了MRE11的高乳酸化，并通過體外乳酸化實驗及質譜分析證明了CBP通過第二個DBD的K673位點介導MRE11乳酸化，并且在DNA損傷情況下顯著增強。
3MRE11乳酸化可提升DNA結合能力，強化末端切除
為了探究乳酸化是否影響MRE11 DNA的結合，在利用純化的MRE11 WT進行體外乳酸化測定及體外DNA結合測定後，研究者發現MRE11乳酸化可以促進其與dsDNA和突出端DNA的結合，NALA處理增強了MRE11和MRE11-K673la病竈的形成和MRE11染色質負載。抑制或消耗CBP或LDHi處理可減少MRE11病竈的形成和染色質的募集。
進一步的磷酸-RPA2和5-BrdU竈檢測結果顯示，LDHi處理和LDHA/B的消耗均可以顯著降低順鉑誘導的磷酸化RPA2水準，NALA治療則能夠挽救LDHA/B或LDHi處理後受損的磷酸化RPA2水準。此外，CBP在對照組細胞中的過表達，可以明顯提升磷酸化RPA2的水準。這些發現表明，乳酸化可能通過CBP-MRE11軸調控DNA末端切除。
4多肽抑制劑靶向MRE11 K673乳酸化可提升化療敏感性
特異性的多肽抑制劑K673-pe表現出了對MRE11 K673顯著的抑制作用，并使得DNA的末端切除顯著減少，RAD51病竈數量明顯下降。進一步的觀察發現，K673-pe可顯著增強惡性良性腫瘤細胞對順鉑和奧拉帕利的敏感性，對于增強MRE11 K673乳酸化高水準惡性良性腫瘤的化療效果提供了潛在的治療選擇。
小
結
乳酸化修飾在惡性良性腫瘤發生及治療中的關鍵性調控作用，還存在着巨大的研究潛力和上升空間，随着更多實驗資料的累積，惡性良性腫瘤防治必将會像個性化、精準化的方向不斷邁進。
參考資料：
[1]Zong et al., Alanyl-tRNA synthetase, AARS1, is a lactate sensor and lactyltransferase that lactylates p53 and contributes to tumorigenesis, Cell (2024), https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.04.002
[2]Chen Y, Wu J, Zhai L, Zhang T, Yin H, Gao H, Zhao F, Wang Z, Yang X, Jin M, Huang B, Ding X, Li R, Yang J, He Y, Wang Q, Wang W, Kloeber JA, Li Y, Hao B, Zhang Y, Wang J, Tan M, Li K, Wang P, Lou Z, Yuan J. Metabolic regulation of homologous recombination repair by MRE11 lactylation. Cell. 2024 Jan 18;187(2):294-311.e21. doi: 10.1016/j.cell.2023.11.022.
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稽核專家：徐蔚然教授
責任編輯：Sheep
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