Nature | 发现癌细胞可利用乳酸促进DNA修复，为应对癌症化疗耐药提供新思路！
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癌细胞的一个主要特征就是其具备异常增殖的能力。但是，面对自我复制带来的巨大能量需求，癌细胞却倾向于厌氧代谢葡萄糖，而不是选择产能更高效的有氧代谢途径，这种现象被称为Warburg效应。与此同时，不断地自我复制会造成基因组的不稳定性，癌细胞必须快速修复受损的DNA才能确保自身存活。很多经典的化疗药物，如顺铂、多柔比星，就是通过引起DNA损伤或抑制损伤修复的过程来杀伤癌细胞。一直以来，人们对肿瘤的异常代谢都十分关注，但对于代谢物的积累以及DNA修复之间的关系仍所知甚少。
近日，中山大学何裕隆/张常华/尹东教授，联合英国癌症研究院 Axel Behrens 教授，在Nature杂志上发表了题为“NBS1 lactylation is required for efficient DNA repair and chemotherapy resistance”的研究论文。该研究发现，癌细胞厌氧代谢葡萄糖的主要产物——乳酸（Lactate）会促进DNA的同源重组修复（HR）。DNA损伤响应蛋白NBS1在TIP60的作用下可以在K388位点发生乳酸化（Lactylation），从而促进MRE11-RAD50-NBS1 （MRN） 复合物的形成以及 HR 修复蛋白在 DNA 双链断裂位点的积累（图1）。令人欣喜的是，该研究还发现，抑制乳酸的产生可以有效降低癌细胞的 DNA 修复水平并克服对化疗的耐药性，为克服癌症化疗耐药这一难题带来希望。
图1 NBS1的乳酸化可以促进 MRN 复合物的形成以及向 DSB 位点的募集
首先，为了研究肿瘤组织响应DNA损伤的代谢特征，作者对接受铂类药物辅助治疗的敏感患者和耐药患者的胃癌标本进行了蛋白质组学和非靶向代谢组学分析（图2）。结果发现，在化疗耐药的癌细胞中，乳酸脱氢酶（LDHA）的表达显著上调，其负责催化丙酮酸转化为乳酸，并且，乳酸是耐药肿瘤中最丰富的代谢物之一。在携带 MGC803-P 异种移植物或胃癌患者异种移植物 （PDX） 的小鼠中，单独使用乳酸对肿瘤生长没有影响，但却可以减弱顺铂治疗对肿瘤的生长抑制。同样，当使用电离辐射（IR）来损伤DNA时，也能观察到乳酸对肿瘤的保护作用。DNA 损伤会诱导双链断裂 （DSB），导致组蛋白 H2AX磷酸化（γH2AX）并在 DSB 位点聚集。作者发现，对于IR处理的细胞，添加乳酸会导致 γH2AX 水平显著增加，彗星实验和报告基因实验表明，乳酸主要通过提高同源重组修复（HR）效率来介导DNA损伤响应，而不是非同源末端连接途径（NHEJ）。
图2 乳酸可以提高癌细胞的DNA修复能力并增强对化疗药物的抵抗能力
由于乳酸可以使蛋白质的赖氨酸发生乳酸化，接下来，作者分别对化疗药物敏感和耐药的癌细胞系进行了蛋白质乳酸化的整体水平检测，发现后者的水平明显提高（图3）。激光微辐射实验结果表明，乳酸化蛋白会被募集到 DSB 位点。通过蛋白质组学分析和质谱分析，作者发现介导DNA损伤修复的NBS1蛋白在化疗耐药的癌细胞中显著富集，并且其K338位点会发生乳酸化。通过免疫沉淀以及液相色谱-质谱联用技术，作者筛选出了可能介导NBS1乳酸化的赖氨酸乳酸转移酶——TIP60。结构预测显示，乳酰辅酶 A 很好地容纳在 TIP60 的辅因子口袋中。Pull-down和免疫共沉淀实验进一步验证了TIP60和NBS1可以发生互作，调节TIP60的表达可以对NBS1的乳酸化造成显著影响。
图3 乳酸诱导 NBS1在 K388 位点发生乳酸化，该过程由TIP60介导
随后，作者探究了NBS1 乳酸化在 DNA 损伤反应中的潜在作用（图4）。对于NBS1（K338R）突变细胞，顺铂或 IR 处理会导致细胞活力下降和更严重的DNA损伤。与 IR 或顺铂处理后的 AGS-P 细胞相比，AGS-NBS1 （K388R） 细胞中 γH2AX 的水平较低，BRCA1 和 RAD51 病灶的形成显著减少。NBS1 与 MRE11 和 RAD50 可以形成三聚体 MRN 复合物，在感应 DSB 和激活 DNA 修复途径中起关键作用。通过免疫共沉淀以及激光诱导DNA损伤的动力学实验，作者发现，NBS1的乳酸化可以促进 MRN 复合物的形成和 HR 蛋白向 DSB 位点的募集，从而提高癌细胞DNA损伤的修复能力。
图4 NBS1的乳酸化可以促进 MRN 复合物的形成和 HR 蛋白向 DSB 位点的募集
基于上述实验现象，作者推测通过抑制乳酸代谢或许可以直接破坏癌细胞的DNA修复能力，从而提高对化疗药物的敏感性。Stiripentol是一种LDHA的抑制剂，在临床上已被用作抗癫痫治疗。作者进一步通过实验发现，在胃癌模型小鼠中，Stiripentol与顺铂或 IR 联合治疗可以使肿瘤显著消退（图5）。最后，作者研究了 LDHA 和 NBS1 K388 乳酸化的临床相关性。IHC 结果显示，在化疗耐药的肿瘤中，LDHA 和 NBS1 K388 乳酸化水平均发生提高，LDHA 与 NBS1 K388 乳酸化呈正相关，NBS1 K388 乳酸化和 LDHA 高水平患者的总生存率远低于 NBS1 K388 乳酸化和 LDHA 低水平的患者。
图5 抑制乳酸代谢可以减弱癌细胞的DNA修复能力
总的来说，该篇文章将癌细胞中非常规的糖酵解代谢和 DNA 损伤修复联系起来，确定了癌细胞中乳酸积累、高效 DNA 修复和化疗耐药性之间的直接关联。在乳酸积累的情况下，TIP60 作为赖氨酸乳酸化转移酶，在 K388 位点介导 NBS1 乳酸化，进一步促进MRN 复合物的形成及下游的DNA同源重组修复，最终导致对化疗药物的耐药性。并且作者发现，临床可用的 LDHA 抑制剂 stiripentol 与包括顺铂和 IR 在内的遗传毒性疗法之间存在很强的协同作用。这提示我们，干预癌细胞的乳酸代谢不失为一种改善化疗效果和癌症患者生存率的有效方法。
参考文献
Chen, H., Li, Y., Li, H. et al. NBS1 lactylation is required for efficient DNA repair and chemotherapy resistance. Nature 631, 663–669 (2024).
原文链接
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07620-9
供稿 | 徐一阁
责编 | 囡囡
设计 / 排版 | 可洲
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