Nature：肿瘤代谢产物阻碍DNA修复！原因在于局部染色体信号扰乱！

2020年6月5日讯 /生物谷BIOON /——19世纪末，在光镜下检测到的染色体异常揭示了一种大规模的基因组不稳定性，导致某些类型癌症的染色体数目异常。不久之后，生物化学家Otto Warburg观察到，肿瘤细胞倾向于使用与正常细胞不同的葡萄糖和能量代谢途径。我们现在知道，基因组不稳定和代谢改变是大多数肿瘤细胞的两个共同特征。基因组不稳定性自发现以来一直被研究；代谢改变直到最近才作为一个研究领域重新被发现。但是到目前为止，这两个过程在癌症治疗中的相互作用还没有被报道。6月4日，Sulkowski等人在《自然》（Nature）杂志上发表文章，揭示了几种在肿瘤细胞中积累到高水平的代谢物如何抑制DNA修复，从而揭示了代谢改变与DNA损伤引起的基因组不稳定之间的直接联系。
图片来源：Nature
针对编码异柠檬酸脱氢酶1和2 (IDH1和IDH2)的基因的突变导致细胞积累高水平的代谢物2-羟基戊二酸盐(2-HG)。编码延胡索酸水化酶和琥珀酸脱氢酶的基因发生突变，导致细胞分别积累了高水平的延胡索酸和琥珀酸分子。这三种小分子通常被称为肿瘤代谢物，因为他们的积累促进肿瘤发展，它们在结构上类似于分子α-酮戊二酸(α-KG)。这是克雷布斯循环通路中的一个中间产物，也作为一个组件，称为共同底物，是一类叫做α-KG/Fe(II)依赖双加氧酶形式功能必须的物质。
这个酶家族由65个成员组成，在蛋白质、DNA、RNA和脂类中催化各种各样的氧化反应。在这些反应中，α-KG与酶的活性部位结合催化。然而，2-HG、琥珀酸、延胡索酸能与α-KG竞争结合到这个催化部位，从而抑制这些酶。其中一种酶是赖氨酸组蛋白脱甲基酶(KDM)，它可以修饰染色质--由DNA和蛋白质组成的复合物。
两个密切相关的KDMs，称为KDM4A和KDM4B，催化从染色质中DNA结合组蛋白3 (H3)中的赖氨酸氨基酸残基(称为K9)的去除甲基(去甲基化)反应。H3K9的甲基化与一种称为同源依赖修复(HDR)的途径有关，该途径可以修复DNA8中的双链断裂(DSBs)。DSBs是最危险的DNA损伤类型。如果不加以修复，它们可能导致染色体断裂和基因组不稳定，从而可能促进肿瘤生长或导致细胞死亡。
Sulkowski和同事们在体外培养的人类癌细胞中研究了HDR。他们发现，在DSB位点，H3K9局部添加三个甲基，生成三甲基化的H3K9me3残基，它在HDR的起始过程中起关键作用。作者报告说，在编码IDH1、IDH2、延胡索酸水化酶或琥珀酸脱氢酶的基因发生突变的肿瘤细胞中，高水平的肿瘤代谢物抑制了KDM4B。这种去甲基化的抑制导致了广泛的H3K9高甲基化，掩盖了H3K9me3标记的特定局部的出现，并损害了HDR和DSB修复所需因子的募集。
之前的临床研究发现，患有一种名为神经胶质瘤的癌症且IDH1或IDH2基因发生突变的患者，可以从化疗和放疗的结合中获益，这两种方法都会导致DNA损伤。这一发现表明，如果肿瘤内的肿瘤代谢物含量过高，那么它很容易受到DNA损伤治疗的影响。此外，对不同类型癌症的基因组分析将IDH1列为与DNA修复相关的第五大最频繁突变的人类基因。
以前研究人员曾提出两种机制解释当IDH1或IDH2发生突变时，2 - HG的积累是如何导致DNA修复缺陷的。一种想法是，2-HG直接抑制酶ALKBH2和ALKBH3，这两种酶修复甲基化诱导的单链DNA损伤。另一种说法是，2 HG抑制H3K9去甲基化酶，从而导致ATM的表达减少，ATM是DNA修复所必需的关键蛋白。
Sulkowski和他的同事们此前发现，单一代谢产物抑制HDR通路，并鉴定出KDM4A和KDM4B对DSB修复很重要。因此，作者探索了这些过程之间可能的联系。HDR是一个复杂的事件，涉及到多个修复因子的序列招募到DSB位点，其中蛋白质Tip60是第一个到达受损区域的蛋白质。Sulkowski等人使用了一种系统，在该系统中，体外培养的人类细胞被设计用来精确启动DSB并监测修复过程。
作者发现，在没有高水平的肿瘤代谢物的对照细胞中，在DSB被诱导后30分钟内，在DSB附近的染色质中，H3K9me3修饰的峰值快速出现。随后，协调招募了HDR所需的因素。然而，在有高水平的肿瘤代谢物的癌细胞中，在DSB诱导前，H3K9me3在整个基因组中升高，并且随后HDR所需因子的募集与对照细胞相比显着受损。通过删除IDH1的突变版本或用突变IDH1蛋白的药理学抑制剂来阻断2- HG的产生就可以预防这些修复因子补充的缺陷。这些结果建立了单一代谢物的存在与受损的DSB修复之间的因果关系。
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肿瘤代谢物抑制KDM4B是如何损害HDR的呢？局部H3K9甲基化激活Tip60，进而激活ATM，这是HDR所需的关键酶。一系列实验的结果支持了作者的模型，即在DSB位点突然增加H3K9me3修饰是招募修复因子的关键信号。阻止肿瘤代谢物的积累、增加α-KG或工程细胞表达KDM4A或KDM4B(但不包括其他KDMs或ALKBH2/ALKBH3)会减少全基因组H3K9me3修饰、恢复损伤修复因子招募和DNA损伤的部位的DSB修复。如果生产肿瘤代谢物的细胞被操纵使H3K9甲基转移酶突变，从而减少基因组水平的H3K9me3修饰，那么细胞就会在DSB过程中出现H3K9me3飙升，导致Tip60招募和DNA损伤的修复。
Sulkowski和他的同事的发现扩展了单一代谢物的已知作用，并提出了几个有趣的问题。在DSB位点上H3K9me3的快速增加是如何导致修复蛋白的协同募集的？什么因素可能识别DSB位点的这种修饰？在DSB位点周围，H3K9的高甲基化是否会阻止HDR所需因子的结合？已知H3K9的高甲基化会招募一些抑制因子，这些抑制因子会促使一种称为异染色质的染色质的浓缩形式的形成。关于KDM4A和KDM4B在HDR中的作用是否不同的问题仍然存在。两种酶催化相同类型的H3K9去甲基化，促进它们的表达可以克服肿瘤代谢物的抑制，防止HDR缺陷。然而，作者报告说，KDM4B的消耗只会损害HDR。
PARP酶促进单链DNA断裂的修复，阻断PARP的抑制剂被用于治疗某些类型的癌症。如果用PARP抑制剂治疗，产生2-HG的肿瘤细胞尤其容易死亡。Sulkowski等人的发现可能会导致新的治疗策略，即利用单一代谢物积累带来的治疗机会，因为我们现在对靶向DNA修复过程中此类癌细胞的脆弱性有了更清晰的认识。（生物谷Bioon.com）
参考资料：
Tumour metabolites hinder DNA repair
Sulkowski， P.L.， Oeck， S.， Dow， J. et al. oncometabolites suppress DNA repair by disrupting local chromatin signalling. Nature (2020). https：//doi.org/10.1038/s41586-020-2363-0（润宝医疗网）