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肿瘤发生，化疗耐药，竟都与它有关？
撰文 | 山顶上的小石头
近些年来，关于乳酸化修饰在肿瘤细胞代谢组学相关机制的研究逐渐成为一大热点，随着研究者们对乳酸化修饰及DNA损伤修复的理解和认识不断加深，关于乳酸在肿瘤细胞发生及治疗耐药机制的探索也取得了最新的进展。近日，Cell杂志对该进展进行了全面的报道，为未来肿瘤治疗提供了潜在的靶点和治疗选择。
AARS1通过乳酸化P53促进肿瘤发生
2024年4月22日，Cell杂志上全文发表了苏州大学周芳芳教授团队的最新发现：肿瘤来源的乳酸作为p53的天然抑制因子，丙氨酰tRNA合成酶（AARS1）可通过直接结合的形式催化全局赖氨酸乳酸化，诱发DNA结合受损和转录活性下降，最终促进肿瘤的发生。
通过评估TCGA乳腺癌数据集，研究者发现，在野生型p53患者中，血清乳酸水平较高的患者p53信号通路得分显著降低，提示肿瘤中的乳酸可能会抑制p53的功能。在转基因乳腺癌小鼠模型中，肿瘤的乳酸水平随肿瘤发展进程逐渐升高，且与肿瘤负荷呈正相关，提示细胞内的乳酸堆积可能会加速肿瘤的进展。并且，在对模型小鼠进行乳酸脱氢酶（LDHA）敲除后，可以观察到肿瘤形成的延迟、肿瘤乳酸和肿瘤负荷的降低及p53活性的提升。
为了明确介导肿瘤来源p53乳酸化过程的关键蛋白，研究者通过全基因组CRISPR筛选的方式筛选出了关联性最强的AARS1。作为氨酰 tRNA 合成酶 (ARS) 家族的成员，AARS1在蛋白质翻译过程中可以催化丙氨酸与 tRNA (Ala) 的附着。AARS1 耗尽会升高p53 靶基因的表达，使其对乳酸诱导的抑制反应脱敏，使得肿瘤细胞的增殖、集落形成和异种移植肿瘤生长显着减少。
在对乳酸化修饰蛋白进行的蛋白质组学分析中，当AARS1短暂耗竭时，约有80%的Kla修饰肽段和蛋白的强度显著下降，其中10%的肽段和蛋白强度下降了10倍以上；相反，在过表达AARS1的肿瘤细胞中，90%的乳酸化肽和蛋白强度显著增加，其中近50%增强了10倍以上。以上结果均表明，AARS1是细胞中整体赖氨酸乳酸化的关键媒介。
为了明确AARS1介导乳酸化的机制，研究者进行了一系列的体外生化实验，最终结果显示：AARS1直接与乳酸结合，形成中间产物乳酸-AMP，该产物共价结合于赖氨酸受体端，释放AMP从而介导乳酸化过程。
通过对转染AARS1并经过乳酸钠处理的细胞进行质谱分析，研究者发现，K120和K139为p53上的乳酸化结合位点。为了明确p53 DNA结合域（DBD）上调控乳酸化活性的分子机制，在构建位点特异性p53乳酸化突变体后，研究者进一步进行了细胞和动物实验。观察结果显示，突变体中出现了DNA结合受损、液-液相分离（LLPS）减弱和转录活性减低的现象，尤其在肿瘤模型的小鼠中表现出了更强的致瘤性，最终导致了肿瘤的发生。对于患者来源的组织样本测定也支持了以上发现。而β-丙氨酸通过与AARS1的竞争性结合，可以有效控制p53失活，提高化疗效果，为肿瘤治疗中的协同增效提供了非常富有前景的研究方向。
MRE11乳酸化对同源重组修复的代谢调控
无独有偶，在此之前，同济大学袁健教授团队也曾在Cell发表题为“Metabolic regulation of homologous recombination repair by MRE11 lactylation”的研究，为我们阐述DNA损伤修复的关键蛋白MRE11通过乳酸化修饰促进同源重组修复（HR），最终导致化疗耐药的分子生物学机制，也为化疗耐药的干预提供了新的治疗靶点和方向。
在该研究的主要结果中，乳酸化的具体作用机制如下：
1促进DNA损伤修复及化疗耐药
LDHA是体内介导乳酸生成的主要酶，乳酸的生成可以进一步促进蛋白质的乳酸化，而LDHA表达水平偏低的患者往往会表现出更高的HRD评分。为了明确高水平的乳酸或蛋白质乳酸化在HR修复中的作用，研究者在使用乳酸钠处理细胞后进行了HR报告基因分析，观察显示细胞的泛乳酸化及HR修复的增强，DNA的损伤修复也得到了促进。使用LDH抑制剂后，上述结果均被抑制。癌细胞实验则观察到了其对于顺铂或奥拉帕利治疗的耐药性。
2CBP通过MRE11 K673位点实现乳酸化
以上实验中，研究者观察到了MRE11的高乳酸化，并通过体外乳酸化实验及质谱分析证实了CBP通过第二个DBD的K673位点介导MRE11乳酸化，并且在DNA损伤情况下显著增强。
3MRE11乳酸化可提升DNA结合能力，强化末端切除
为了探究乳酸化是否影响MRE11 DNA的结合，在利用纯化的MRE11 WT进行体外乳酸化测定及体外DNA结合测定后，研究者发现MRE11乳酸化可以促进其与dsDNA和突出端DNA的结合，NALA处理增强了MRE11和MRE11-K673la病灶的形成和MRE11染色质负载。抑制或消耗CBP或LDHi处理可减少MRE11病灶的形成和染色质的募集。
进一步的磷酸-RPA2和5-BrdU灶检测结果显示，LDHi处理和LDHA/B的消耗均可以显著降低顺铂诱导的磷酸化RPA2水平，NALA治疗则能够挽救LDHA/B或LDHi处理后受损的磷酸化RPA2水平。此外，CBP在对照组细胞中的过表达，可以明显提升磷酸化RPA2的水平。这些发现表明，乳酸化可能通过CBP-MRE11轴调控DNA末端切除。
4多肽抑制剂靶向MRE11 K673乳酸化可提升化疗敏感性
特异性的多肽抑制剂K673-pe表现出了对MRE11 K673显著的抑制作用，并使得DNA的末端切除显著减少，RAD51病灶数量明显下降。进一步的观察发现，K673-pe可显著增强肿瘤细胞对顺铂和奥拉帕利的敏感性，对于增强MRE11 K673乳酸化高水平肿瘤的化疗效果提供了潜在的治疗选择。
小
结
乳酸化修饰在肿瘤发生及治疗中的关键性调控作用，还存在着巨大的研究潜力和上升空间，随着更多实验数据的累积，肿瘤防治必将会像个性化、精准化的方向不断迈进。
参考资料：
[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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审核专家：徐蔚然教授
责任编辑：Sheep
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