Nature：中山大学张常华/何裕隆/尹东团队解码肿瘤糖代谢百年谜题，带来癌症治疗新策略

来源：生物世界 2024-07-07 10:05

该研究揭示了乳酸在肿瘤代谢中的重要角色，通过NBS1 K388乳酸化修饰，显著增强了DNA修复效率，导致化疗耐药性。

中山大学附属第七医院何裕隆、张常华教授团队联合中山大学孙逸仙纪念医院尹东教授、英国癌症研究院Axel Behrens教授，在国际顶尖学术期刊Nature上发表了题为：NBS1 lactylation is required for efficient DNA repair and chemotherapy resistance的研究论文。

该研究揭示了乳酸通过NBS1蛋白乳酸化修饰在DNA修复和化疗耐药中的关键作用，提供对癌症治疗的新策略和新靶点。

研究团队通过蛋白质组学和代谢组学，分析新辅助化疗敏感或耐药的肿瘤组织标本，发现在耐药肿瘤组织中，糖酵解通路显著上调，乳酸水平显著上升。乳酸在小鼠PDX模型和类器官模型中能够降低化疗的抗肿瘤效果，即乳酸促进了荷瘤小鼠的化疗耐药，这表明乳酸在肿瘤耐药中扮演重要角色，但机制不明。

进一步研究发现，乳酸可以显著增强DNA同源重组修复（HRR）。在经受化疗造成DNA损伤后，乳酸能够快速修复受损的DNA，从而降低治疗效果，导致耐药发生（图1）。

图1、乳酸增强肿瘤细胞DNA修复和肿瘤化疗耐药

接下来，研究团队探索了乳酸是否通过乳酸化修饰促进肿瘤细胞对化疗耐药。实验发现，乳酸化修饰在化疗耐药肿瘤细胞系及化疗耐药患者肿瘤组织样本中显著上调，进一步验证了乳酸化修饰在肿瘤耐药中的重要功能作用，但其调控的关键底物蛋白仍未知。研究团队使用4D-无标记乳酸化修饰蛋白质组学分析，筛选到乳酸化修饰底物蛋白为NBS1。

NBS1（Nijmegen breakagesyndrome protein1）基因，即奈梅亨断裂综合征蛋白1。NBS1突变可导致一种以染色质不稳定为特征的Nijmegen断裂综合征，主要表现为表现为生长迟缓、智力障碍、缺陷、细胞周期检查点缺失、癌症风险增加以及对电离辐射敏感等。研究发现NBS1蛋白可与MRE11和RAD50蛋白形成一个MRE11-RAD50-NBS1（MRN）复合物，在DNA的复制和DNA双链断裂的修复等过程中起重要作用，主要包括DNA双链断裂部位的识别和启动HRR。乳酸化修饰质谱提示NBS1蛋白存在乳酸化修饰，且NBS1蛋白乳酸化修饰在耐药的肿瘤细胞系中显著上调。乳酸可进一步增强NBS1蛋白的乳酸化修饰。

通过乳酸化修饰质谱和免疫共沉淀等实验，研究团队鉴定并验证出NBS1蛋白上的乳酸化修饰位点位于第388位赖氨酸（K388），并开发了特异性抗体用于检测这一修饰。Co-IP质谱实验显示，乙酰基转移酶TIP60蛋白与NBS1蛋白存在相互作用。通过实验验证，TIP60被确定为NBS1的乳酸化酶，即TIP60通过直接与NBS1相互作用，乳酸化修饰NBS1蛋白。且TIP60的这一作用在乳酸和顺铂处理下显著增强。相反，组蛋白去乙酰化酶HDAC3被确定为NBS1的去乳酸化酶，通过与NBS1的相互作用去除这种修饰，抑制其乳酸化水平。这一发现通过基因编辑和体外实验得到证实，揭示了乳酸化修饰的动态调控机制（图2）。

图2、乳酸诱导NBS1 K388乳酸化，TIP60介导NBS1 K388乳酸化

研究团队进一步揭示了NBS1 K388乳酸化在DNA损伤修复中的潜在作用。研究发现K388乳酸化修饰对于NBS1在DNA损伤修复中的功能至关重要。乳酸促进肿瘤耐药依赖于NBS1蛋白K388位乳酸化修饰。K388乳酸化修饰后的NBS1蛋白能够更有效地招募和组装MRN复合体，并促进HRR蛋白在DNA双链断裂部位募集，导致抵抗。深入的分子机制实验提示：乳酸化修饰是NBS1蛋白与MRE11相互作用所必须的，K388乳酸化修饰位点位于NBS1与MRE11的接触面，K388乳酸化修饰改变NBS1蛋白构象，促使NBS1蛋白和MRE11结合形成MRN复合物，MRN复合物快速募集到DNA损伤部位，增强其在DNA损伤修复中的功能（图3）。

图3、NBS1 K388乳酸化通过促进MRN复合体形成促进DNA修复

然而，肿瘤细胞内的乳酸来源仍不明确。既往研究表明，肿瘤细胞中的乳酸主要有两个来源：

1、细胞内产生，由肿瘤细胞中的乳酸脱氢酶LDHA产生乳酸；

2、细胞外摄取，由定位于肿瘤细胞膜的单羧基转运蛋白MCT1将肿瘤微环境中的乳酸摄取进入细胞内。

进一步实验显示，LDHA在耐药株中高表达，而MCT1表达量无显著差异。表明肿瘤耐药细胞中的乳酸主要通过LDHA在细胞内代谢产生。进一步实验研究LDHA的生物学功能发现：LDHA促进了NBS1蛋白K388乳酸化修饰；LDHA促进DNA修复依赖于NBS1蛋白K388乳酸化修饰；LDHA和NBS1蛋白乳酸化修饰在耐药患者肿瘤中显著上调且呈正相关；LDHA高表达和NBS1蛋白乳酸化修饰高表达的提示预后不良。

综上所述，NBS1乳酸化修饰促进DNA损伤修复及化疗抵抗，导致临床预后不良，而LDHA是这一过程的关键酶。

研究团队发现靶向LDHA，抑制乳酸的产生，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。这一发现为开发新的抗癌疗法提供了新的思路，即抑制乳酸代谢、靶向LDHA能否逆转肿瘤化疗抵抗？司替戊醇（Stiripentol）是一种已被欧洲药品局批准用于治疗难治性癫痫的药物，是目前研究最深入的LDHA抑制剂。

研究发现，司替戊醇可阻断胃乳酸的产生，抑制NBS1 K388的乳酸化修饰，从而降低DNA修复效率并克服肿瘤放化疗耐药性。研究在来源的类器官和异种移植模型中得到证实，司替戊醇与顺铂或IR联合使用，表现出高度协同效应，削弱肿瘤细胞的DNA修复能力并提高放化疗的效果，显著抑制肿瘤生长并延长小鼠的生存期（图4）。

图4、司替戊醇克服肿瘤的放化疗耐药，新辅助化疗耐药肿瘤中LDHA和NBS1 K388乳酸化水平升高

由于司替戊醇已在临床上广泛应用，其安全性和药效已得到验证。因此，将其用于肿瘤耐药的临床研究具有极高的临床转化价值，LDHA有望成为放化疗增敏新靶点。这一发现为开发新的抗癌疗法提供了新的思路，并有望迅速应用于临床。

目前，研究团队已经申请了司替戊醇的专利，并启动了相关临床研究，招募患者进行临床试验：司替戊醇联合免疫靶向化疗用于常规治疗无效的腹膜转移癌患者单臂前瞻性2期临床试验（注册号：ChicTR2400083649）。此次试验将验证司替戊醇在实际临床中的疗效和安全性，特别是针对那些对常规治疗无效的癌症患者。如果试验成功，这将为癌症治疗带来革命性的变化，极大地提高放化疗的成功率，造福广大肿瘤耐药患者。

总的来说，该研究揭示了乳酸在肿瘤代谢中的重要角色，通过NBS1 K388乳酸化修饰，显著增强了DNA修复效率，导致化疗耐药性。TIP60作为乳酸化酶，HDAC3作为去乳酸化酶，分别调控这一修饰的动态平衡。通过抑制乳酸代谢，特别是使用LDHA抑制剂，可以有效降低NBS1 K388乳酸化水平，克服化疗耐药性，显著改善癌症患者的预后。

图5、机制示意图

本研究主要取得了以下两大突破性学术贡献：

1、揭示Warburg效应介导的肿瘤耐药机制：研究揭示了乳酸在肿瘤耐药中的关键作用，乳酸通过促进NBS1的乳酸化修饰，增强了肿瘤细胞的DNA损伤修复能力，使其在放化疗损伤后迅速启动修复，降低了治疗效果，导致耐药发生。这一发现定义了乳酸化作为抗肿瘤耐药的新靶点。

2、首次发现可阻断DNA损伤修复的靶向药物司替戊醇：研究证明，司替戊醇可以抑制乳酸的产生，降低NBS1的乳酸化修饰水平，从而破坏肿瘤细胞的DNA修复机制，提高放化疗的疗效。作为一种老药新用，司替戊醇具有极高的临床转化价值，有望为放化疗耐药患者带来新的治疗选择。

该研究不仅在基础科学领域取得了重大突破，更为临床治疗提供了新的方向，标志着从基础研究到临床应用的重要一步。研究团队已启动临床试验，期待能够早日为胃癌、肠癌等耐药性肿瘤患者带来福音。未来研究应继续探索乳酸化在其他DNA修复蛋白中的作用机制，评估不同癌症类型中NBS1乳酸化修饰的普遍性和临床相关性。此外，开发针对乳酸代谢和NBS1乳酸化修饰的新型治疗方法，有望为癌症治疗带来新的突破。通过更深入的分子机制研究和临床试验，将这一发现转化为有效的治疗策略，最终改善癌症患者的生存率和。

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