PDAC肿瘤发生机制-乳酸依赖的组蛋白修饰

客户文章

糖酵解和组蛋白乳酸化之间的正反馈调节驱动胰腺导管腺癌的发生发展

Positive feedback regulation between glycolysis and histone lactylation drives oncogenesis in pancreatic ductal adenocarcinoma

期刊：   Molecular Cancer  《分子癌症》                              

影响因子：vv   37.383                            

文章链接：   https://doi.org/10.1186/s12943-024-02008-9

在2024年5月新发表的《Molecular Cancer》期刊中，北京大学第三医院（北医三院）内分泌科魏蕊研究员/洪天配教授团队发表了关于组蛋白乳酸化修饰在胰腺导管腺癌（PDAC）发生发展中的调控作用的研究成果，补充了既往研究中PDAC与组蛋白乳酸化关系的空白，发现了胰腺导管腺癌发展中“糖酵解-H3K18la-TTK/BUB1B正反馈回路”这一重要机制，为PDAC的发病机制、诊断预后及潜在治疗靶点的发现提供新的见解。

我司荣幸地承接了本研究中对于PDAC细胞的代谢重编程表型研究，利用LC-MS/MS非靶代谢检测，发现PDAC患者的血清样本中乳酸水平显著增高。

研究结果概括：

本文融合了胰腺导管腺癌（Pancreatic Ductal Adenocarcinoma, PDAC）病人的代谢紊乱表型结果及组蛋白H3K18la乳酸化修饰的研究，发现PDAC细胞利用“代谢重编程（metabolic reprogramming）”增高了糖酵解，进而导致PDAC细胞系和患者组织中糖酵解产物乳酸过度积累。乳酸会促进PDAC细胞发生组蛋白H3K18la乳酸化修饰，且此修饰的增加与较差的患者预后息息相关。

糖酵解抑制剂的加入及乳酸脱氢酶A（LDHA）的敲低都可降低PDAC细胞的乳酸积累，进而抑制PDAC细胞系的生长或迁移。对两个在PDAC患者中高表达的细胞周期相关基因TTK和BUB1B进行敲低，同样也抑制了PDAC的增殖和迁移，而TTK的过表达则可一定程度抵抗乳酸化抑制产生的抗癌作用，使得本该由乳酸化抑制而降低的PDAC细胞增殖能力在TTK的过表达下部分恢复。

在对H3K18la的激活机制研究中，团队发现了两个分别对PDAC组蛋白乳酸化有乳酸化添加作用及去除作用的酶：组蛋白乙酰化酶P300和去乙酰化酶HDAC2，其中P300的表达会被TTK、BUB1B的敲低而抑制。TTK基因的敲除显著抑制了LDHA的Y239位磷酸化表达，进而减少了乳酸的生成和组蛋白乳酸化水平。结果表明：存在糖酵解-组蛋白乳酸化H3K18la-TTK/BUB1B通路，且通过正反馈机制加剧PDAC的恶性进展。

糖酵解-组蛋白乳酸化H3K18la-TTK/BUB1B反馈机制在PDAC中的机理图示

01

结果1  组蛋白乳酸化水平升高与PDAC患者的不良预后相关  

在PDAC细胞系与肿瘤组织中，其乳酸含量，泛乳酸化水平（Pan Kla）和H3K18la修饰水平均显著高于正常导管上皮细胞或正常组织（图1，A-B，E-H）。PDAC患者血清样本中的222个差异代谢物显著富集出了中心碳代谢通路，而本文研究的中心物质乳酸，正是中心碳代谢的产物之一（图1，C-D）。结合Kaplan-Meier 患者生存分析发现，PDAC患者的预后与其H3K18la程度有很大的相关性。

图1

02

结果2 抑制糖酵解可减少组蛋白乳酸化，并可抑制PDAC细胞

的增殖和迁移

糖酵解抑制剂（DCA, Oxamate, 2-DG）和敲低LDHA基因都可降低PDAC细胞系的泛乳酸化修饰(Pan Kla)及H3K18la修饰（图2，A-D），而加入乳酸钠NaLa培养（提供乳酸）则会增高修饰程度（图2，C-D），说明糖酵解产生的乳酸与组蛋白乳酸化有很大关系。

图2

糖酵解抑制剂干预或LDHA敲低（降低乳酸化修饰水平）的PDAC细胞系，同样表现出了较差的细胞增殖和迁移能力，而在补充NaLa（升高乳酸化修饰水平）后，细胞增殖和迁移能力得到部分逆转（图3-4），证实组蛋白乳酸化对PDAC细胞的增殖和迁移有调控作用。

图3

图4

03

结果3 抑制糖酵解可减少组蛋白乳酸化，且抑制PDAC移植瘤

小鼠中的肿瘤增长及转移

用糖酵解抑制剂Oxamate干预MIA Paca-2细胞荷瘤的小鼠，其肿瘤体积与重量都明显低于未给予糖酵解抑制剂干预的小鼠。而与对照小鼠相比，使用LDHA敲低的MIA PaCa-2细胞荷瘤的小鼠，肿瘤发展更加缓慢。这2种动物模型中，干预组肿瘤组织中乳酸含量更低，Pan Kla和H3K18la修饰水平也更低，同时肝脏转移能力下降（图5）。

图5

04

结果4-a 乙酰转移酶P300是PDAC细胞中潜在的组蛋白乳酸化

添加酶

分别采取乙酰基转移酶P300敲低（si-P300）和C646（一种P300抑制剂）干预PDAC细胞系，可显著降低PDAC细胞系MIA Paca-2和ASPC-1的泛乳酸化修饰Pan Kla和H3K18la修饰水平（图6，A-B），同时可影响PDAC细胞系的增殖和迁移能力（图6，C-J），说明P300可能是PDAC细胞中的writer。

图6

04

结果4-b 组蛋白去乙酰化酶HDAC2是PDAC细胞中潜在的蛋白

乳酸化去除酶

使用多种HDAC抑制剂并挑选其中增加乳酸化水平的种类进行过表达实验，发现过表达HDAC2显著降低了细胞中乳酸化水平，特别是H3K18la修饰（图S2，A-H），提示HDAC2可能是PDAC细胞中的eraser。

图S2

05

结果5 TTK和BUB1B的高表达与PDAC的恶性程度密切相关

TTK和BUB1B基因在四种PDAC细胞系（MIA PaCa-2、PANC-1、AsPC-1和PL45）中的mRNA和蛋白水平显著高于正常胰腺导管上皮细胞系hTERT-HPNE（图8，A-B），免疫组化（IHC）染色也显示PDAC组织中TTK和BUB1B的表达显著高于癌旁组织（图8，C）。Kaplan-Meier生存分析表明，TTK和BUB1B高表达的PDAC患者总体生存率显著低于低表达患者（图8，D-G）。

图8

06

结果6 TTK和BUB1B的缺失抑制了PDAC的恶性发展，

而TTK的过表达部分阻止了乳酸化抑制的抗癌作用

敲低TTK和BUB1B对细胞系MIA PaCa-2和AsPC-1的增殖与迁移能力产生了显著抑制（图9，C-H）。

对过表达TKK的MIA PaCa-2细胞给予糖酵解抑制剂Oxamate或2-DG处理，发现TTK过表达部分抵消了乳酸化抑制的抗癌效果，且可部分恢复乳酸化抑制对细胞增殖和迁移的抑制作用（图9，J-L）。

图9

07

结果7 H3K18la靶基因与糖酵解之间的正反馈回路          

单独或联合敲低TTK和BUB1B基因时，PDAC细胞中P300蛋白水平显著下降（图10，A-B）。TTK基因的敲低显著抑制了LDHA Y239位磷酸化的表达（图10，C-F），进而减少了乳酸的生成和组蛋白乳酸化水平。结果表明，存在糖酵解-组蛋白乳酸化-TTK/BUB1B正反馈环路加剧PDAC的恶性进展。

图10

结论

PDAC肿瘤发展机制方面：

本文弥补了当前研究中少有的PDAC与组蛋白乳酸化修饰的研究，并提出了建设性的PDAC正反馈回路：糖酵解-H3K18la-TTK/BUB1B回路，为PDAC治疗提供了一个有前景的补充治疗途径。

PDAC诊断/预后标志物方面：

高水平的H3K18la修饰与患者不良预后呈正相关，且基因TTK与BUB1B可作为其潜在的诊断治疗靶点。通过抑制糖酵解或敲低LDHA，可以显著抑制PDAC的生长和进展。E1A结合蛋白p300（P300）和组蛋白去乙酰化酶2（HDAC2）作为H3K18la的蛋白乳酸化添加酶（写入者）和乳酸化去除酶（擦除者），可被考虑为治疗靶点做下游深入研究。

代谢重编程与肿瘤的关系：

代谢紊乱是PDAC疾病进展的重要的风险因素。糖酵解在PDAC细胞的代谢重编程中起着核心作用，并增强了肿瘤的恶变。乳酸作为线粒体三羧酸循环的主要碳源，可以通过乳酸化修饰组蛋白赖氨酸残基，作为表观遗传调节剂的证据。

后续研究方向：

在已知TTK/BUB1B与糖酵解和乳酸化之间的反馈回路的基础上，具体机制和正负调控方式的深入探查可以为后续PDAC的病理过程、靶向治疗药物提供临床应用方案（如P300和HDAC2）。而乳酸化作为一种新型表观遗传学修饰，可以横向研究乳酸化与其他表观修饰类型（如甲基化、乙酰化）中的作用及互相调控关系。