腫瘤代謝物抑制DNA修復的發現或能帶來癌症治療新策略
來源：
Nature自然科研
原文作者：
Lei-Lei Chen &
Yue Xiong
19世紀末，光學顯微鏡檢測到的染色體異常顯示，一種大規模基因組不穩定性會導致特定癌症出現染色體數目異常。不久之後，生物化學家Otto Warburg觀察到，腫瘤細胞傾向於利用與正常細胞不同的葡萄糖和能量代謝途徑。我們現在知道，基因組不穩定性和代謝改變是大部分腫瘤細胞的兩個共同特徵。基因組不穩定性自從被發現以來一直是一個常見研究對象；而代謝改變最近才作為一個研究領域被重新發現。不過，癌症中這兩個過程的相互作用
（crosstalk）
之前沒怎麼被報道過。Sulkowski等人在《自然》發表論文，揭示了腫瘤細胞內積聚至高水平的多種代謝物會如何抑制DNA修復，從而發現了代謝改變與DNA損傷導致的基因組不穩定性之間的直接聯繫。異檸檬酸脫氫酶1和2
（IDH1和IDH2）
編碼基因的突變會導致細胞內積聚高水平的代謝物2-羥基戊二酸（2-HG）
。延胡索酸水合酶和琥珀酸脫氫酶編碼基因的突變分別會導致細胞內積聚高水平的延胡索酸和琥珀酸分子。這三種小分子常被稱為致癌代謝物（oncometabolite）
，因為它們的積聚會促進腫瘤發展。它們在結構上與α-酮戊二酸（α-KG）
分子很相似，α-KG是克雷布斯循環（Krebs cycle）
途徑的中間物，同時也是依賴於α-KG/Fe（II）
的雙加氧酶家族發揮功能所必需的成分，也稱為共底物
（co-substrate）
。這個酶家族在人體內有65個成員，負責催化蛋白質、DNA、RNA和脂質中的一系列氧化反應。在這些反應中，α-KG會與酶的活性位點結合，幫助催化。不過，2-HG、琥珀酸和延胡索酸會和α-KG爭相與該催化位點結合，抑制這些酶。這類酶中有一種賴氨酸組蛋白去甲基化酶
（KDM）
能修飾染色質——染色質是組成染色體的DNA和蛋白的複合物。有兩個很相關的KDM：KDM4A和KDM4B，在它們的催化下，染色質的DNA結合組蛋白3
（H3）
上的內賴氨酸氨基酸殘基（K9）
會去除一個甲基（去甲基化）
。H3K9的甲基化與同源依賴性修復（homology-dependent repair ，HDR）
途徑相關，該途徑可以修復DNA的雙鏈斷裂（double-strand break，DSB）
。DSB是DNA損傷中最危險的一種，如果不加修復，就會導致染色體斷裂和基因組不穩定，這可能會促進腫瘤生長或引起細胞死亡。Sulkowski和同事研究了體外培養人類癌細胞的HDR。他們發現，在DSB位點上，讓H3K9局部添加三個甲基生成三甲基化的H3K9me3殘基，對於啟動HDR途徑具有關鍵作用。作者報道稱，在IDH1、IDH2、延胡索酸水合酶或琥珀酸脫氫酶編碼基因發生突變的腫瘤細胞內，存在高水平的致癌代謝物會抑制KDM4B。這種對去甲基化的抑制會導致 H3K9的普遍高度甲基化，掩蓋了H3K9me3標記的局部出現，並破壞HDR和DSB修復所需因子的招募
（見下圖）
。![癌細胞內的分子如何抑制DNA損傷的修復。a，DNA包裹組蛋白形成名為核小體的結構。在正常細胞內，KDM4B酶的催化會讓核小體內組蛋白3（H3）的賴氨酸9（K9）氨基酸殘基去除甲基。這一H3K9去甲基化活動需要小分子α-酮戊二酸（α-KG）的參與。如果發生DNA雙鏈斷裂，H3K9就會在損傷部位甲基化，這一局部甲基化信號會招募DNA修復因子，包括蛋白Tip60和ATM。這樣就能通過名為同源依賴性修復的過程讓損傷復原。b，某些突變會導致部分癌細胞積聚一類被稱為致癌代謝物的小分子，這種代謝物會促進腫瘤生長。Sulkowski等人[1]揭示了這種現象背後的一種機制。致癌代謝物會與α-KG競爭，爭取與KDM4B結合，從而抑制這種酶的作用。這會導致整個基因組發生H3K9甲基化。整體高度甲基化會掩蓋DNA損傷後的H3K9甲基化局部增加，阻礙DNA修復因子的招募。未修復的DNA損傷會導致基因組不穩定性，從而促進腫瘤生長。](http://i2.wp.com/n.sinaimg.cn/tech/crawl/265/w550h515/20200804/04bf-ixeeisa2026809.jpg)
癌細胞內的分子如何抑制DNA損傷的修復。a，DNA包裹組蛋白形成名為核小體的結構。在正常細胞內，KDM4B酶的催化會讓核小體內組蛋白3（H3）的賴氨酸9（K9）氨基酸殘基去除甲基。這一H3K9去甲基化活動需要小分子α-酮戊二酸（α-KG）的參與。如果發生DNA雙鏈斷裂，H3K9就會在損傷部位甲基化，這一局部甲基化信號會招募DNA修復因子，包括蛋白Tip60和ATM。這樣就能通過名為同源依賴性修復的過程讓損傷復原。b，某些突變會導致部分癌細胞積聚一類被稱為致癌代謝物的小分子，這種代謝物會促進腫瘤生長。Sulkowski等人[1]揭示了這種現象背後的一種機制。致癌代謝物會與α-KG競爭，爭取與KDM4B結合，從而抑制這種酶的作用。這會導致整個基因組發生H3K9甲基化。整體高度甲基化會掩蓋DNA損傷後的H3K9甲基化局部增加，阻礙DNA修復因子的招募。未修復的DNA損傷會導致基因組不穩定性，從而促進腫瘤生長。
之前有臨床研究指出了致癌代謝物和DNA修復缺陷之間的聯繫，研究發現攜帶IDH1或IDH2基因突變的膠質瘤患者對於化療和放療聯合療法反應良好，這兩種療法都會誘導DNA損傷
。該結果表明，含有高水平致癌代謝物的腫瘤易受到能引起DNA損傷的治療的影響。此外，一項針對不同癌症的基因組分析將IDH1列為與DNA修復相關的第五個最經常突變的人類基因
。
之前有人提出過兩種機制，來解釋IDH1或IDH2突變時發生的2-HG積聚是如何導致DNA修復缺陷的。一種觀點認為2-HG直接抑制了ALKBH2和ALKBH3酶，這兩種酶能修復甲基化誘導的單鏈DNA損傷。另一種觀點認為2-HG抑制H3K9去甲基化酶，因此會導致ATM表達減少，而ATM是DNA修復必不可少的一種關鍵蛋白。
Sulkowski等人之前發現，致癌代謝物會抑制HDR途徑，並確定了KDM4A和KDM4B對於DSB修復的重要性。為此，作者嘗試尋找這些過程之間的可能聯繫。HDR是一個複雜的事件，需要連續向DSB位點招募多個修復因子，Tip60是當中最先抵達受損區域的蛋白質。Sulkowski等人利用的一個系統讓體外培養的人類細胞在工程改造後可以精準啟動DSB，還能監控整個修復過程。
作者發現，在沒有高水平致癌代謝物的對照組細胞中，在DSB被誘導發生後的30分鐘內，DSB附近染色質內會局部出現 H3K9me3修飾的迅速增加。在這之後，HDR所需因子會被有條不紊地招募過來。不過，在致癌代謝物水平較高的癌細胞內，整個基因組的H3K9me3水平在DSB被誘導前都會提高，之後HDR所需因子的招募相比對照組細胞出現了顯著受損。刪除突變的IDH1基因或用IDH1突變蛋白的抑製藥物阻斷2-HG的產生，就能預防修復因子招募出現這些缺陷。這些結果確立了致癌代謝物的出現和DSB修復受損之間的因果關係。
致癌代謝物對KDM4B的抑制是如何損壞HDR的？H3K9局部甲基化激活了Tip60，這又會激活ATM——HDR所需的一種關鍵酶。一系列實驗的結果支持作者的模型，即DSB位點的H3K9me3修飾突然增加是要招募修復因子的一個關鍵信號。相比沒有進行處理的細胞，阻斷了致癌代謝物積聚、增加α KG或通過改造讓細胞表達KDM4A或KDM4B
（但不表達其他KDM或ALKBH2或ALKBH3）
，會導致全基因組的H3K9me3修飾減少，而且既能恢復修復因子的招募，又能在改造的DNA損傷位點進行DSB修復。如果產生致癌代謝物的細胞經過改造後攜帶突變版本的組蛋白，隔離H3K9甲基化轉移酶，那麼就會降低全基因組的H3K9me3修飾水平，從而讓細胞在DSB形成後出現H3K9me3激增，進而促進Tip60的招募和DNA損傷的修復。Sulkowski等人的研究結果增加了對已知的致癌代謝物作用的認識，同時也提出了幾個有意思的問題。比如，DSB位點的H3K9me3快速升高如何引起修復蛋白的協同招募，哪個或哪些因子可以識別DSB位點的這類修飾？H3K9的高度甲基化已知能招募促使異染色質
（heterochromatin）
形成的抑制因子，那麼在DSB位點周圍，H3K9的高度甲基化能阻止HDR所需因子的結合嗎？KDM4A和KDM4B在HDR中的作用是否存在區別也是有待解答的問題。這兩種酶催化的H3K9去甲基化類型相同，增強它們的表達可以克服致癌代謝物的抑制作用，防止HDR缺陷。但作者報告稱，只消耗KDM4B會損害HDR。PARP酶能促進DNA單鏈斷裂的修復，能夠阻斷PARP的抑製劑可用來治療特定癌症。產生2-HG的腫瘤細胞在接受PARP抑製劑治療時尤其容易死亡。由於我們現在對於靶向DNA修復過程如何影響這類癌細胞有了更清晰的認識，Sulkowski等人的研究結果或能帶來新的治療策略，探索與致癌代謝物積聚相關的治療機會。
