肿瘤代谢物抑制DNA修复的发现或能带来癌症治疗新策略
来源：Nature自然科研
原文作者：Lei-LeiChen&YueXiong
19世纪末，光学显微镜检测到的染色体异常显示，一种大规模基因组不稳定性会导致特定癌症出现染色体数目异常。不久之后，生物化学家OttoWarburg观察到，肿瘤细胞倾向于利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，基因组不稳定性和代谢改变是大部分肿瘤细胞的两个共同特征。基因组不稳定性自从被发现以来一直是一个常见研究对象;而代谢改变最近才作为一个研究领域被重新发现。不过，癌症中这两个过程的相互作用(crosstalk)之前没怎么被报道过。Sulkowski等人在《自然》发表论文，揭示了肿瘤细胞内积聚至高水平的多种代谢物会如何抑制DNA修复，从而发现了代谢改变与DNA损伤导致的基因组不稳定性之间的直接联系。
异柠檬酸脱氢酶1和2(IDH1和IDH2)编码基因的突变会导致细胞内积聚高水平的代谢物2-羟基戊二酸(2-HG)。延胡索酸水合酶和琥珀酸脱氢酶编码基因的突变分别会导致细胞内积聚高水平的延胡索酸和琥珀酸分子。这三种小分子常被称为致癌代谢物(oncometabolite)，因为它们的积聚会促进肿瘤发展。它们在结构上与α-酮戊二酸(α-KG)分子很相似，α-KG是克雷布斯循环(Krebscycle)途径的中间物，同时也是依赖于α-KG/Fe(II)的双加氧酶家族发挥功能所必需的成分，也称为共底物(co-substrate)。
这个酶家族在人体内有65个成员，负责催化蛋白质、DNA、RNA和脂质中的一系列氧化反应。在这些反应中，α-KG会与酶的活性位点结合，帮助催化。不过，2-HG、琥珀酸和延胡索酸会和α-KG争相与该催化位点结合，抑制这些酶。这类酶中有一种赖氨酸组蛋白去甲基化酶(KDM)能修饰染色质——染色质是组成染色体的DNA和蛋白的复合物。
有两个很相关的KDM：KDM4A和KDM4B，在它们的催化下，染色质的DNA结合组蛋白3(H3)上的内赖氨酸氨基酸残基(K9)会去除一个甲基(去甲基化)。H3K9的甲基化与同源依赖性修复(homology-dependentrepair，HDR)途径相关，该途径可以修复DNA的双链断裂(double-strandbreak，DSB)。DSB是DNA损伤中最危险的一种，如果不加修复，就会导致染色体断裂和基因组不稳定，这可能会促进肿瘤生长或引起细胞死亡。
Sulkowski和同事研究了体外培养人类癌细胞的HDR。他们发现，在DSB位点上，让H3K9局部添加三个甲基生成三甲基化的H3K9me3残基，对于启动HDR途径具有关键作用。作者报道称，在IDH1、IDH2、延胡索酸水合酶或琥珀酸脱氢酶编码基因发生突变的肿瘤细胞内，存在高水平的致癌代谢物会抑制KDM4B。这种对去甲基化的抑制会导致H3K9的普遍高度甲基化，掩盖了H3K9me3标记的局部出现，并破坏HDR和DSB修复所需因子的招募(见下图)。
癌细胞内的分子如何抑制DNA损伤的修复。a，DNA包裹组蛋白形成名为核小体的结构。在正常细胞内，KDM4B酶的催化会让核小体内组蛋白3(H3)的赖氨酸9(K9)氨基酸残基去除甲基。这一H3K9去甲基化活动需要小分子α-酮戊二酸(α-KG)的参与。如果发生DNA双链断裂，H3K9就会在损伤部位甲基化，这一局部甲基化信号会招募DNA修复因子，包括蛋白Tip60和ATM。这样就能通过名为同源依赖性修复的过程让损伤复原。b，某些突变会导致部分癌细胞积聚一类被称为致癌代谢物的小分子，这种代谢物会促进肿瘤生长。Sulkowski等人[1]揭示了这种现象背后的一种机制。致癌代谢物会与α-KG竞争，争取与KDM4B结合，从而抑制这种酶的作用。这会导致整个基因组发生H3K9甲基化。整体高度甲基化会掩盖DNA损伤后的H3K9甲基化局部增加，阻碍DNA修复因子的招募。未修复的DNA损伤会导致基因组不稳定性，从而促进肿瘤生长。
癌细胞内的分子如何抑制DNA损伤的修复。a，DNA包裹组蛋白形成名为核小体的结构。在正常细胞内，KDM4B酶的催化会让核小体内组蛋白3(H3)的赖氨酸9(K9)氨基酸残基去除甲基。这一H3K9去甲基化活动需要小分子α-酮戊二酸(α-KG)的参与。如果发生DNA双链断裂，H3K9就会在损伤部位甲基化，这一局部甲基化信号会招募DNA修复因子，包括蛋白Tip60和ATM。这样就能通过名为同源依赖性修复的过程让损伤复原。b，某些突变会导致部分癌细胞积聚一类被称为致癌代谢物的小分子，这种代谢物会促进肿瘤生长。Sulkowski等人[1]揭示了这种现象背后的一种机制。致癌代谢物会与α-KG竞争，争取与KDM4B结合，从而抑制这种酶的作用。这会导致整个基因组发生H3K9甲基化。整体高度甲基化会掩盖DNA损伤后的H3K9甲基化局部增加，阻碍DNA修复因子的招募。未修复的DNA损伤会导致基因组不稳定性，从而促进肿瘤生长。
之前有临床研究指出了致癌代谢物和DNA修复缺陷之间的联系，研究发现携带IDH1或IDH2基因突变的胶质瘤患者对于化疗和放疗联合疗法反应良好，这两种疗法都会诱导DNA损伤。该结果表明，含有高水平致癌代谢物的肿瘤易受到能引起DNA损伤的治疗的影响。此外，一项针对不同癌症的基因组分析将IDH1列为与DNA修复相关的第五个最经常突变的人类基因。
之前有人提出过两种机制，来解释IDH1或IDH2突变时发生的2-HG积聚是如何导致DNA修复缺陷的。一种观点认为2-HG直接抑制了ALKBH2和ALKBH3酶，这两种酶能修复甲基化诱导的单链DNA损伤。另一种观点认为2-HG抑制H3K9去甲基化酶，因此会导致ATM表达减少，而ATM是DNA修复必不可少的一种关键蛋白。
Sulkowski等人之前发现，致癌代谢物会抑制HDR途径，并确定了KDM4A和KDM4B对于DSB修复的重要性。为此，作者尝试寻找这些过程之间的可能联系。HDR是一个复杂的事件，需要连续向DSB位点招募多个修复因子，Tip60是当中最先抵达受损区域的蛋白质。Sulkowski等人利用的一个系统让体外培养的人类细胞在工程改造后可以精准启动DSB，还能监控整个修复过程。
作者发现，在没有高水平致癌代谢物的对照组细胞中，在DSB被诱导发生后的30分钟内，DSB附近染色质内会局部出现H3K9me3修饰的迅速增加。在这之后，HDR所需因子会被有条不紊地招募过来。不过，在致癌代谢物水平较高的癌细胞内，整个基因组的H3K9me3水平在DSB被诱导前都会提高，之后HDR所需因子的招募相比对照组细胞出现了显著受损。删除突变的IDH1基因或用IDH1突变蛋白的抑制药物阻断2-HG的产生，就能预防修复因子招募出现这些缺陷。这些结果确立了致癌代谢物的出现和DSB修复受损之间的因果关系。
致癌代谢物对KDM4B的抑制是如何损坏HDR的?H3K9局部甲基化激活了Tip60，这又会激活ATM——HDR所需的一种关键酶。一系列实验的结果支持作者的模型，即DSB位点的H3K9me3修饰突然增加是要招募修复因子的一个关键信号。相比没有进行处理的细胞，阻断了致癌代谢物积聚、增加αKG或通过改造让细胞表达KDM4A或KDM4B(但不表达其他KDM或ALKBH2或ALKBH3)，会导致全基因组的H3K9me3修饰减少，而且既能恢复修复因子的招募，又能在改造的DNA损伤位点进行DSB修复。如果产生致癌代谢物的细胞经过改造后携带突变版本的组蛋白，隔离H3K9甲基化转移酶，那么就会降低全基因组的H3K9me3修饰水平，从而让细胞在DSB形成后出现H3K9me3激增，进而促进Tip60的招募和DNA损伤的修复。
Sulkowski等人的研究结果增加了对已知的致癌代谢物作用的认识，同时也提出了几个有意思的问题。比如，DSB位点的H3K9me3快速升高如何引起修复蛋白的协同招募，哪个或哪些因子可以识别DSB位点的这类修饰?H3K9的高度甲基化已知能招募促使异染色质(heterochromatin)形成的抑制因子，那么在DSB位点周围，H3K9的高度甲基化能阻止HDR所需因子的结合吗?KDM4A和KDM4B在HDR中的作用是否存在区别也是有待解答的问题。这两种酶催化的H3K9去甲基化类型相同，增强它们的表达可以克服致癌代谢物的抑制作用，防止HDR缺陷。但作者报告称，只消耗KDM4B会损害HDR。
PARP酶能促进DNA单链断裂的修复，能够阻断PARP的抑制剂可用来治疗特定癌症。产生2-HG的肿瘤细胞在接受PARP抑制剂治疗时尤其容易死亡。由于我们现在对于靶向DNA修复过程如何影响这类癌细胞有了更清晰的认识，Sulkowski等人的研究结果或能带来新的治疗策略，探索与致癌代谢物积聚相关的治疗机会。
相关文章
-
科学家利用计算机程序发现：遗传分子超百万种
相关研究报告发表在近日的《化学信息与建模》杂志上。,DNA和RNA都是储存遗传信息的生物大分子，使所有已知生命成为可能，但现在，数百万种其他化学物质被发现也具有同样功能。,研究人员设计了一个计算机程序，用以生成核酸样分子的化学式。
2024-03-22 09:16 -
科学家发现新的演化模式：通过DNA表面的分子
然而，当有报道称，这种真菌的基因物质可被甲基修饰时，研究小组感到十分惊讶。,从理论上讲，即使是单独工作，这种维持酶也可以使DNA的甲基化无限期地存在——如果每次都能产生一个完美拷贝的话。,研究小组估计，在大约7500代的时间里，全部甲基都会消失，使得维持酶无法再进行复制。
2024-03-22 08:43 -
Y染色体父系遗传标记检测是什么技术？
来源：科普中央厨房|北京科技报时隔28年南医大命案告破，警方透露亲属DNA-Y染色体比对是破案关键。,不过DNA-Y染色体检验有父系遗传特点，因而可帮助警方发现案犯所在的家族，进而缩小排查范围。,与之相似，“白银案”中警方曾几次进行排查，收集当地指纹和DNA信息，累计人数16万，但案件仍然没有结果。
2024-03-22 08:38 -
重大发现！科学家观察到一种全新的DNA损伤修复方式
(如下图所示)注意看那两把大剪刀显然，FA通路用粗暴的方式帮DNA解了围，随后细胞还会启动其他机制去修复被剪断的DNA。,有研究表明，顺铂诱导的DNA交联损伤，就可以通过这种方式修复[5]。,(如下图所示)很显然，这个新的修复机制无需切断DNA，比FA通路安全多了。
2024-03-22 08:34 -
科学家破译慢性乙肝病毒感染的关键因素
来源：学术经纬《自然》子刊NatureMicrobiology今天在线刊登了一篇有关乙型肝炎病毒(HBV)的研究论文。,根据世界卫生组织的估计，全球目前至少有2.57亿人为HBV携带者，在东南亚地区疾病负担尤其严重。,针对其中一种核心成分DNA聚合酶δ，研究人员采用抑制剂aphidicolin进行处理，阻止了cccDNA的形成。
2024-03-22 08:31 -
争议研究：“不可能保存至今”的恐龙DNA被找到了？
古生物学家曾经也面临过这个问题：1993年，在电影《侏罗纪公园》(JurassicPark)上映时，一些研究表示发现了中生代时期的DNA。,虽然在那之后，古生物遗传学发生了一些改变，但多个实验室能重复得到一致的结果，依然十分重要。,“这些都是非常难的问题，”Bailleul说，“但如果我们不断地尝试，将有希望找到大多数答案。
2024-03-22 08:10 -
古人类DNA对现代人影响很小
但这项在冰岛人身上寻找古代DNA的新研究，对上述许多说法提出了挑战。,与之前大多数研究不同，他们检测了整个基因组，这使其能够评估现代人类基因是否也在影响性状。,研究人员4月22日在《自然》上报道说，只有5个性状受到了古老DNA的显著影响。
2024-03-22 08:06 -
当我们讨论遗传时，可能误解了什么？
谁说过存在“看电视基因”?我们当然可以随意打开或关闭电视，但是这个动作对不同人心情的影响有差别。,先天(遗传)影响并不是像木偶剧或者皮影戏演员那样操纵着我们，它只是一种概率性的倾向而已。,DNA差异并不是全部，但是在塑造我们的稳定心理特征方面，它比其他所有因素加起来都更重要。
2024-03-22 08:02 -
环状DNA测序工具面世 有望促进农业和癌症等领域研究
来源：科技日报科技日报讯(记者刘霞)据物理学家组织网5月14日报道，加拿大阿尔伯塔大学生物学家发明了一种新工具，可对环状DNA进行测序，这将为科学家提供更丰富、更准确的数据，有望促进针对病毒、农业甚至癌症的研究。,我们的方法能对这些分子进行完整测序，并为我们和其他研究人员提供一种新工具，可以更好地了解它们在细胞中的实际作用。,”梅塔指出，新工具可能对农业科学家特别有用，因为许多农作物感染的病毒都拥
2024-03-22 07:57 -
地球首个生命或由RNA和DNA混合而成
来源：科技日报科技日报讯(记者刘霞)据英国《新科学家》杂志网站近日报道，英国研究人员一项最新研究发现，脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)的关键组成部分可由相同原料制成。这表明，地球上出现的第一个生物或许并非由纯RNA或DNA组成，而由这两者混合而成。DNA和RNA对生命至关重要，它们是携带基因的分子，这些基因由父母遗传给后代。尽管某些病毒使用RNA，但大多数生物的基因都由DNA构成。许多研
2024-03-22 07:47