Nature|中山大学何裕隆/张常华/尹东团队揭开肿瘤糖代谢百年谜题
Nature|中山大学何裕隆/张常华/尹东团队揭开肿瘤糖代谢百年谜题
在剧烈运动后，我们的身体会因无氧代谢产生乳酸而感到酸痛。肿瘤细胞不同于正常细胞，它们无论在有氧还是无氧情况下，都通过糖酵解途径代谢，并产生大量乳酸，这被称为Warburg效应（由Otto Warburg于1923年提出）。然而，科学家们一直不解的是，为什么如此聪明的肿瘤细胞会选择这种高消耗低产能的供能方式。100多年来，科学家们一直在讨论肿瘤有氧糖酵解的作用，却从未明确。
2024年7月3日，中山大学何裕隆、张常华、尹东及英国癌症研究院Axel Behrens共同通讯在Nature期刊在线发表题为“NBS1 lactylation is required for efficient DNA repair and chemotherapy resistance”的研究论文。本研究基于**多组学技术（代谢组+蛋白组）**揭示了一种DNA修复蛋白（NBS1）蛋白乳酸化修饰在肿瘤化疗耐药中的关键调控作用，基于这一发现，研究团队找到了一款“老药”司替戊醇（stiripentol），可以通过抑制乳酸的产生，逆转肿瘤对化疗药物的抵抗，为癌症治疗提供了一种新策略。
研究背景
癌细胞为了维持持续的存活，会改变其营养摄取和利用方式。放疗和大多数化疗药物通过直接或间接引起DNA损伤来导致癌细胞死亡，但癌细胞需要迅速修复这些损伤来存活。已知某些积累的代谢物会抑制DNA修复并引发基因组不稳定。然而，对于那些能够促进DNA修复的代谢物的了解非常有限。研究代谢驱动的DNA修复机制对于发现新的癌症治疗靶点至关重要。
研究结果
1. 乳酸促进HR介导的DNA修复
研究者收集了24例接受顺铂新辅助化疗（NAC）的胃癌患者样本（其中9例为敏感组，15例为耐药组），对其开展了蛋白质组学和非靶向代谢组学检测。结果显示，耐药组的乳酸脱氢酶（LDHA）和乳酸水平显著升高，表明糖酵解途径在耐药肿瘤中被激活。在顺铂敏感（Cell line-P）和耐药细胞系（Cell line-R）中，耐药组的细胞外酸化率和乳酸水平也显著增加。在NSG小鼠模型中，单独给乳酸未对肿瘤生长产生影响，但在顺铂或电离辐射（IR）治疗组中，乳酸抑制了治疗效果。特别是当乳酸转运蛋白MCT1耗尽时，乳酸不再促进耐药。
DNA双链断裂（DSB）会导致H2AX在139位丝氨酸处磷酸化（γ-H2AX），并快速聚集到DSB处。彗星实验通过细胞拖尾和信号强度反映DNA损伤情况。实验结果显示，乳酸处理可以促进IR引起的DNA损伤修复，主要通过同源重组（HR）途径进行修复。
2. 乳酸介导NBS1-K388乳酸化
研究人员发现乳酸化修饰在耐药肿瘤细胞系及患者样本中显著上调。通过4D- label-free乳酸化修饰蛋白质组学分析，筛选出乳酸化修饰底物蛋白为NBS1。NBS1蛋白与MRE11和RAD50蛋白形成MRN复合物，参与DNA复制和双链断裂修复。质谱分析显示NBS1蛋白在第388位赖氨酸（K388）处存在乳酸化修饰，且在耐药肿瘤细胞系中显著上调。乳酸进一步增强了NBS1蛋白的乳酸化修饰。
研究发现，乙酰基转移酶TIP60是NBS1的乳酸化酶，TIP60通过与NBS1直接相互作用促进其乳酸化修饰，且这种作用在乳酸和顺铂处理下增强。相反，组蛋白去乙酰化酶HDAC3是NBS1的去乳酸化酶，通过去除NBS1的乳酸化修饰抑制其乳酸化水平。这些发现揭示了乳酸化修饰的动态调控机制。
3. NBS1 K388乳酸化促进MRN复合体形成
研究人员进一步探讨了NBS1蛋白K388位点乳酸化在DNA损伤修复中的作用。研究表明，被乳酸化修饰的NBS1蛋白能够更高效地招募和组装MRN复合体，并促进HRR蛋白在DNA双链断裂部位的募集，从而导致对放化疗的抵抗。分子机制研究表明，NBS1的K388乳酸化修饰是其与MRE11相互作用的关键。K388乳酸化位点位于NBS1与MRE11的接触面，修饰后NBS1蛋白的构象发生变化，促进其与MRE11结合形成MRN复合体。MRN复合体能够迅速聚集到DNA损伤部位，从而增强其在DNA损伤修复中的功能。
4. NBS1-K388乳酸化预测低生存率
肿瘤细胞内的乳酸主要来源于乳酸脱氢酶LDHA的代谢产物，而非单羧基转运蛋白MCT1的摄取。研究发现，LDHA在耐药株中高表达，促进了NBS1蛋白K388位点的乳酸化修饰，从而增强DNA修复能力并导致化疗耐药。这一过程在耐药患者的肿瘤中显著上调，预示着预后不良。
研究团队提出，通过靶向抑制LDHA，可以显著降低NBS1的乳酸化修饰水平，破坏肿瘤细胞的DNA修复机制。司替戊醇是目前研究最深入的LDHA抑制剂，能够阻断乳酸产生，抑制NBS1 K388乳酸化修饰，降低DNA修复效率，并克服肿瘤的放化疗耐药性。研究发现，在肿瘤患者来源的类器官和异种移植模型中，司替戊醇与顺铂或IR联合使用，显示出高度协同效应，显著抑制肿瘤生长并延长小鼠的生存期。
文章小结
本研究发现，乳酸在肿瘤代谢中起着关键作用。通过NBS1-K388乳酸化修饰，显著提高了DNA修复能力，从而引发化疗耐药性。通过抑制乳酸代谢，尤其是使用LDHA抑制剂，可以有效地降低NBS1 K388位点的乳酸化水平，从而克服化疗耐药性，并显著改善癌症患者的预后。这一发现为开发新的抗癌疗法提供了新的思路。