2024年7月3日，中山大學(xué)附屬第七醫(yī)院何裕隆、張常華教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中山大學(xué)孫逸仙紀(jì)念醫(yī)院尹東教授、英國(guó)癌癥研究院 Axel Behrens 教授，在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊Nature?上發(fā)表了題為：NBS1 lactylation is required for efficient DNA? repair and chemotherapy resistance?的研究論文。該研究揭示了乳酸通過NBS1蛋白乳酸化修飾在DNA修復(fù)和化療耐藥中的關(guān)鍵作用，提供對(duì)癌癥治療的新策略和新靶點(diǎn)。
中山七院何裕隆張常華教授團(tuán)隊(duì)在Nature發(fā)表重大突破性成果：解碼腫瘤糖代謝百年之謎揭示司替戊醇化療增敏劑新作用。腫瘤細(xì)胞的糖代謝特點(diǎn)之一是即使在有氧條件下，它們也傾向于通過無氧糖酵解途徑代謝葡萄糖，而不是選擇更有效率的線粒體氧化磷酸化，這一現(xiàn)象被稱為Warburg效應(yīng) 。
Warburg效應(yīng)最早由Otto Warburg 于1923年提出，并因此獲得1931年諾貝爾獎(jiǎng)，但科學(xué)家對(duì)于腫瘤為何通過糖酵解代謝供能、有何功能作用仍不清楚，至今已有百年未解。Warburg效應(yīng)導(dǎo)致乳酸在癌細(xì)胞中積累，其在癌癥代謝中的具體角色，尤其是對(duì)DNA修復(fù)和化療耐藥的影響，仍不完全清楚。
2024年7月3日，中山大學(xué)附屬第七醫(yī)院何裕隆 、張常華 教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中山大學(xué)孫逸仙紀(jì)念醫(yī)院尹東 教授、英國(guó)癌癥研究院 Axel Behrens 教授，在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊Nature 上發(fā)表了題為：NBS1 lactylation is required for efficient DNA repair and chemotherapy resistance 的研究論文。
該研究揭示了乳酸通過NBS1蛋白乳酸化修飾在DNA修復(fù)和化療耐藥中的關(guān)鍵作用，提供對(duì)癌癥治療的新策略和新靶點(diǎn)。
研究團(tuán)隊(duì)通過蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)，分析新輔助化療敏感或耐藥的胃癌腫瘤組織標(biāo)本，發(fā)現(xiàn)在耐藥腫瘤組織中，糖酵解通路顯著上調(diào)，乳酸水平顯著上升。乳酸在小鼠PDX模型和類器官模型中能夠降低化療的抗腫瘤效果，即乳酸促進(jìn)了荷瘤小鼠的化療耐藥，這表明乳酸在腫瘤耐藥中扮演重要角色，但機(jī)制不明。
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，乳酸可以顯著增強(qiáng)DNA同源重組修復(fù)（HRR）。腫瘤細(xì)胞在經(jīng)受化療造成DNA損傷后，乳酸能夠快速修復(fù)受損的DNA，從而降低治療效果，導(dǎo)致耐藥發(fā)生（圖1）。
圖1、乳酸增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞DNA修復(fù)和腫瘤化療耐藥
接下來，研究團(tuán)隊(duì)探索了乳酸是否通過乳酸化修飾促進(jìn)腫瘤細(xì)胞對(duì)化療耐藥。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，乳酸化修飾在化療耐藥腫瘤細(xì)胞系及化療耐藥患者腫瘤組織樣本中顯著上調(diào)，進(jìn)一步驗(yàn)證了乳酸化修飾在腫瘤耐藥中的重要功能作用，但其調(diào)控的關(guān)鍵底物蛋白仍未知。研究團(tuán)隊(duì)使用4D-無標(biāo)記乳酸化修飾蛋白質(zhì)組學(xué)分析，篩選到乳酸化修飾底物蛋白為NBS1。
NBS1（Nijmegen breakage syndrome protein 1）基因，即奈梅亨斷裂綜合征蛋白1。NBS1突變可導(dǎo)致一種以染色質(zhì)不穩(wěn)定為特征的Nijmegen斷裂綜合征，主要表現(xiàn)為表現(xiàn)為生長(zhǎng)遲緩、智力障礙、免疫缺陷、細(xì)胞周期檢查點(diǎn)缺失、癌癥風(fēng)險(xiǎn)增加以及對(duì)電離輻射敏感等。研究發(fā)現(xiàn)NBS1蛋白可與MRE11和RAD50蛋白形成一個(gè)MRE11-RAD50-NBS1（MRN）復(fù)合物，在DNA的復(fù)制和DNA雙鏈斷裂的修復(fù)等過程中起重要作用，主要包括DNA雙鏈斷裂部位的識(shí)別和啟動(dòng)HRR。乳酸化修飾質(zhì)譜提示NBS1蛋白存在乳酸化修飾，且NBS1蛋白乳酸化修飾在耐藥的腫瘤細(xì)胞系中顯著上調(diào)。乳酸可進(jìn)一步增強(qiáng)NBS1蛋白的乳酸化修飾。
通過乳酸化修飾質(zhì)譜和免疫共沉淀等實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)鑒定并驗(yàn)證出NBS1蛋白上的乳酸化修飾位點(diǎn)位于第388位賴氨酸（K388），并開發(fā)了特異性抗體用于檢測(cè)這一修飾。Co-IP質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)顯示，乙?；D(zhuǎn)移酶TIP60蛋白與NBS1蛋白存在相互作用。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，TIP60被確定為NBS1的乳酸化酶，即TIP60通過直接與NBS1相互作用，乳酸化修飾NBS1蛋白。且TIP60的這一作用在乳酸和順鉑處理下顯著增強(qiáng)。相反，組蛋白去乙?；窰DAC3被確定為NBS1的去乳酸化酶，通過與NBS1的相互作用去除這種修飾，抑制其乳酸化水平。這一發(fā)現(xiàn)通過基因編輯和體外實(shí)驗(yàn)得到證實(shí)，揭示了乳酸化修飾的動(dòng)態(tài)調(diào)控機(jī)制（圖2）。
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步揭示了NBS1 K388乳酸化在DNA損傷修復(fù)中的潛在作用。研究發(fā)現(xiàn)K388乳酸化修飾對(duì)于NBS1在DNA損傷修復(fù)中的功能至關(guān)重要。乳酸促進(jìn)腫瘤耐藥依賴于NBS1蛋白K388位乳酸化修飾。K388乳酸化修飾后的NBS1蛋白能夠更有效地招募和組裝MRN復(fù)合體，并促進(jìn)HRR蛋白在DNA雙鏈斷裂部位募集，導(dǎo)致放化療抵抗。深入的分子機(jī)制實(shí)驗(yàn)提示：乳酸化修飾是NBS1蛋白與MRE11相互作用所必須的，K388乳酸化修飾位點(diǎn)位于NBS1與MRE11的接觸面，K388乳酸化修飾改變NBS1蛋白構(gòu)象，促使NBS1蛋白和MRE11結(jié)合形成MRN復(fù)合物，MRN復(fù)合物快速募集到DNA損傷部位，增強(qiáng)其在DNA損傷修復(fù)中的功能（圖3）。
圖3、NBS1 K388乳酸化通過促進(jìn)MRN復(fù)合體形成促進(jìn)DNA修復(fù)
然而，腫瘤細(xì)胞內(nèi)的乳酸來源仍不明確。既往研究表明，腫瘤細(xì)胞中的乳酸主要有兩個(gè)來源：
1、細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生，由腫瘤細(xì)胞中的乳酸脫氫酶LDHA產(chǎn)生乳酸；
2、細(xì)胞外攝取，由定位于腫瘤細(xì)胞膜的單羧基轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白MCT1將腫瘤微環(huán)境中的乳酸攝取進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。
進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)顯示，LDHA在耐藥株中高表達(dá)，而MCT1表達(dá)量無顯著差異。表明腫瘤耐藥細(xì)胞中的乳酸主要通過LDHA在細(xì)胞內(nèi)代謝產(chǎn)生。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究LDHA的生物學(xué)功能發(fā)現(xiàn)：LDHA促進(jìn)了NBS1蛋白K388乳酸化修飾；LDHA促進(jìn)DNA修復(fù)依賴于NBS1蛋白K388乳酸化修飾；LDHA和NBS1蛋白乳酸化修飾在耐藥患者腫瘤中顯著上調(diào)且呈正相關(guān)；LDHA高表達(dá)和NBS1蛋白乳酸化修飾高表達(dá)的提示預(yù)后不良。
綜上所述，NBS1乳酸化修飾促進(jìn)DNA損傷修復(fù)及化療抵抗，導(dǎo)致臨床預(yù)后不良，而LDHA是這一過程的關(guān)鍵酶。
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)靶向LDHA，抑制乳酸的產(chǎn)生，可以顯著降低NBS1的乳酸化修飾水平，破壞腫瘤細(xì)胞的DNA修復(fù)機(jī)制。這一發(fā)現(xiàn)為開發(fā)新的抗癌療法提供了新的思路，即抑制乳酸代謝、靶向LDHA能否逆轉(zhuǎn)腫瘤化療抵抗？司替戊醇 （Stiripentol）是一種已被歐洲藥品管理局批準(zhǔn)用于治療難治性癲癇的藥物，是目前研究最深入的LDHA抑制劑。
研究發(fā)現(xiàn)，司替戊醇可阻斷胃癌細(xì)胞乳酸的產(chǎn)生，抑制NBS1 K388的乳酸化修飾，從而降低DNA修復(fù)效率并克服腫瘤放化療耐藥性。研究在腫瘤患者來源的類器官和異種移植模型中得到證實(shí)，司替戊醇與順鉑或IR聯(lián)合使用，表現(xiàn)出高度協(xié)同效應(yīng)，削弱腫瘤細(xì)胞的DNA修復(fù)能力并提高放化療的效果，顯著抑制腫瘤生長(zhǎng)并延長(zhǎng)小鼠的生存期（圖4）。
圖4、司替戊醇克服腫瘤的放化療耐藥，新輔助化療耐藥腫瘤中LDHA和NBS1 K388乳酸化水平升高
由于司替戊醇已在臨床上廣泛應(yīng)用，其安全性和藥效已得到驗(yàn)證。因此，將其用于腫瘤耐藥的臨床研究具有極高的臨床轉(zhuǎn)化價(jià)值，LDHA有望成為放化療增敏新靶點(diǎn)。這一發(fā)現(xiàn)為開發(fā)新的抗癌療法提供了新的思路，并有望迅速應(yīng)用于臨床。
目前，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)申請(qǐng)了司替戊醇的腫瘤治療專利，并啟動(dòng)了相關(guān)臨床研究，招募患者進(jìn)行臨床試驗(yàn)：司替戊醇聯(lián)合免疫靶向化療用于常規(guī)治療無效的腹膜轉(zhuǎn)移癌患者單臂前瞻性2期臨床試驗(yàn)（注冊(cè)號(hào)：ChicTR2400083649）。此次試驗(yàn)將驗(yàn)證司替戊醇在實(shí)際臨床中的療效和安全性，特別是針對(duì)那些對(duì)常規(guī)治療無效的癌癥患者。如果試驗(yàn)成功，這將為癌癥治療帶來革命性的變化，極大地提高放化療的成功率，造福廣大腫瘤耐藥患者。
總的來說，該研究揭示了乳酸在腫瘤代謝中的重要角色，通過NBS1 K388乳酸化修飾，顯著增強(qiáng)了DNA修復(fù)效率，導(dǎo)致化療耐藥性。TIP60作為乳酸化酶，HDAC3作為去乳酸化酶，分別調(diào)控這一修飾的動(dòng)態(tài)平衡。通過抑制乳酸代謝，特別是使用LDHA抑制劑，可以有效降低NBS1 K388乳酸化水平，克服化療耐藥性，顯著改善癌癥患者的預(yù)后。
圖5、機(jī)制示意圖
本研究主要取得了以下兩大突破性學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)：
1、揭示W(wǎng)arburg效應(yīng)介導(dǎo)的腫瘤耐藥機(jī)制：研究揭示了乳酸在腫瘤耐藥中的關(guān)鍵作用，乳酸通過促進(jìn)NBS1的乳酸化修飾，增強(qiáng)了腫瘤細(xì)胞的DNA損傷修復(fù)能力，使其在放化療損傷后迅速啟動(dòng)修復(fù)，降低了治療效果，導(dǎo)致耐藥發(fā)生。這一發(fā)現(xiàn)定義了乳酸化作為抗腫瘤耐藥的新靶點(diǎn)。
2、首次發(fā)現(xiàn)可阻斷DNA損傷修復(fù)的靶向藥物司替戊醇：研究證明，司替戊醇可以抑制乳酸的產(chǎn)生，降低NBS1的乳酸化修飾水平，從而破壞腫瘤細(xì)胞的DNA修復(fù)機(jī)制，提高放化療的療效。作為一種老藥新用，司替戊醇具有極高的臨床轉(zhuǎn)化價(jià)值，有望為放化療耐藥患者帶來新的治療選擇。
該研究不僅在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域取得了重大突破，更為臨床治療提供了新的方向，標(biāo)志著從基礎(chǔ)研究到臨床應(yīng)用的重要一步。研究團(tuán)隊(duì)已啟動(dòng)臨床試驗(yàn)，期待能夠早日為胃癌、腸癌等耐藥性腫瘤患者帶來福音。未來研究應(yīng)繼續(xù)探索乳酸化在其他DNA修復(fù)蛋白中的作用機(jī)制，評(píng)估不同癌癥類型中NBS1乳酸化修飾的普遍性和臨床相關(guān)性。此外，開發(fā)針對(duì)乳酸代謝和NBS1乳酸化修飾的新型治療方法，有望為癌癥治療帶來新的突破。通過更深入的分子機(jī)制研究和臨床試驗(yàn)，將這一發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為有效的治療策略，最終改善癌癥患者的生存率和生活質(zhì)量。
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圖2、乳酸誘導(dǎo)NBS1 K388乳酸化，TIP60介導(dǎo)NBS1 K388乳酸化
肖女士
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