2024年7月3日，中山大學附屬第七醫(yī)院何裕隆、張常華教授團隊聯(lián)合中山大學孫逸仙紀念醫(yī)院尹東教授、英國癌癥研究院 Axel Behrens 教授，在國際頂尖學術期刊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修復和化療耐藥中的關鍵作用，提供對癌癥治療的新策略和新靶點。
中山七院何裕隆張常華教授團隊在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。腫瘤細胞的糖代謝特點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 。
Warburg效應最早由Otto Warburg 于1923年提出，并因此獲得1931年諾貝爾獎，但科學家對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效應導致乳酸在癌細胞中積累，其在癌癥代謝中的具體角色，尤其是對DNA修復和化療耐藥的影響，仍不完全清楚。
2024年7月3日，中山大學附屬第七醫(yī)院何裕隆 、張常華 教授團隊聯(lián)合中山大學孫逸仙紀念醫(yī)院尹東 教授、英國癌癥研究院 Axel Behrens 教授，在國際頂尖學術期刊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修復和化療耐藥中的關鍵作用，提供對癌癥治療的新策略和新靶點。
研究團隊通過蛋白質組學和代謝組學，分析新輔助化療敏感或耐藥的胃癌腫瘤組織標本，發(fā)現(xiàn)在耐藥腫瘤組織中，糖酵解通路顯著上調，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，但機制不明。
進一步研究發(fā)現(xiàn)，乳酸可以顯著增強DNA同源重組修復（HRR）。腫瘤細胞在經(jīng)受化療造成DNA損傷后，乳酸能夠快速修復受損的DNA，從而降低治療效果，導致耐藥發(fā)生（圖1）。
圖1、乳酸增強腫瘤細胞DNA修復和腫瘤化療耐藥
接下來，研究團隊探索了乳酸是否通過乳酸化修飾促進腫瘤細胞對化療耐藥。實驗發(fā)現(xiàn)，乳酸化修飾在化療耐藥腫瘤細胞系及化療耐藥患者腫瘤組織樣本中顯著上調，進一步驗證了乳酸化修飾在腫瘤耐藥中的重要功能作用，但其調控的關鍵底物蛋白仍未知。研究團隊使用4D-無標記乳酸化修飾蛋白質組學分析，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突變可導致一種以染色質不穩(wěn)定為特征的Nijmegen斷裂綜合征，主要表現(xiàn)為表現(xiàn)為生長遲緩、智力障礙、免疫缺陷、細胞周期檢查點缺失、癌癥風險增加以及對電離輻射敏感等。研究發(fā)現(xiàn)NBS1蛋白可與MRE11和RAD50蛋白形成一個MRE11-RAD50-NBS1（MRN）復合物，在DNA的復制和DNA雙鏈斷裂的修復等過程中起重要作用，主要包括DNA雙鏈斷裂部位的識別和啟動HRR。乳酸化修飾質譜提示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胞系中顯著上調。乳酸可進一步增強NBS1蛋白的乳酸化修飾。
通過乳酸化修飾質譜和免疫共沉淀等實驗，研究團隊鑒定并驗證出NBS1蛋白上的乳酸化修飾位點位于第388位賴氨酸（K388），并開發(fā)了特異性抗體用于檢測這一修飾。Co-IP質譜實驗顯示，乙?；D移酶TIP60蛋白與NBS1蛋白存在相互作用。通過實驗驗證，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。相反，組蛋白去乙酰化酶HDAC3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驗得到證實，揭示了乳酸化修飾的動態(tài)調控機制（圖2）。
研究團隊進一步揭示了NBS1 K388乳酸化在DNA損傷修復中的潛在作用。研究發(fā)現(xiàn)K388乳酸化修飾對于NBS1在DNA損傷修復中的功能至關重要。乳酸促進腫瘤耐藥依賴于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復合體，并促進HRR蛋白在DNA雙鏈斷裂部位募集，導致放化療抵抗。深入的分子機制實驗提示：乳酸化修飾是NBS1蛋白與MRE11相互作用所必須的，K388乳酸化修飾位點位于NBS1與MRE11的接觸面，K388乳酸化修飾改變NBS1蛋白構象，促使NBS1蛋白和MRE11結合形成MRN復合物，MRN復合物快速募集到DNA損傷部位，增強其在DNA損傷修復中的功能（圖3）。
圖3、NBS1 K388乳酸化通過促進MRN復合體形成促進DNA修復
然而，腫瘤細胞內的乳酸來源仍不明確。既往研究表明，腫瘤細胞中的乳酸主要有兩個來源：
1、細胞內產生，由腫瘤細胞中的乳酸脫氫酶LDHA產生乳酸；
2、細胞外攝取，由定位于腫瘤細胞膜的單羧基轉運蛋白MCT1將腫瘤微環(huán)境中的乳酸攝取進入細胞內。
進一步實驗顯示，LDHA在耐藥株中高表達，而MCT1表達量無顯著差異。表明腫瘤耐藥細胞中的乳酸主要通過LDHA在細胞內代謝產生。進一步實驗研究LDHA的生物學功能發(fā)現(xiàn)：LDHA促進了NBS1蛋白K388乳酸化修飾；LDHA促進DNA修復依賴于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且呈正相關；LDHA高表達和NBS1蛋白乳酸化修飾高表達的提示預后不良。
綜上所述，NBS1乳酸化修飾促進DNA損傷修復及化療抵抗，導致臨床預后不良，而LDHA是這一過程的關鍵酶。
研究團隊發(fā)現(xiàn)靶向LDHA，抑制乳酸的產生，可以顯著降低NBS1的乳酸化修飾水平，破壞腫瘤細胞的DNA修復機制。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胞乳酸的產生，抑制NBS1 K388的乳酸化修飾，從而降低DNA修復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，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，削弱腫瘤細胞的DNA修復能力并提高放化療的效果，顯著抑制腫瘤生長并延長小鼠的生存期（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用，其安全性和藥效已得到驗證。因此，將其用于腫瘤耐藥的臨床研究具有極高的臨床轉化價值，LDHA有望成為放化療增敏新靶點。這一發(fā)現(xiàn)為開發(fā)新的抗癌療法提供了新的思路，并有望迅速應用于臨床。
目前，研究團隊已經(jīng)申請了司替戊醇的腫瘤治療專利，并啟動了相關臨床研究，招募患者進行臨床試驗：司替戊醇聯(lián)合免疫靶向化療用于常規(guī)治療無效的腹膜轉移癌患者單臂前瞻性2期臨床試驗（注冊號：ChicTR2400083649）。此次試驗將驗證司替戊醇在實際臨床中的療效和安全性，特別是針對那些對常規(guī)治療無效的癌癥患者。如果試驗成功，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，顯著增強了DNA修復效率，導致化療耐藥性。TIP60作為乳酸化酶，HDAC3作為去乳酸化酶，分別調控這一修飾的動態(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后。
圖5、機制示意圖
1、揭示W(wǎng)arburg效應介導的腫瘤耐藥機制：研究揭示了乳酸在腫瘤耐藥中的關鍵作用，乳酸通過促進NBS1的乳酸化修飾，增強了腫瘤細胞的DNA損傷修復能力，使其在放化療損傷后迅速啟動修復，降低了治療效果，導致耐藥發(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。
2、首次發(fā)現(xiàn)可阻斷DNA損傷修復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生，降低NBS1的乳酸化修飾水平，從而破壞腫瘤細胞的DNA修復機制，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化價值，有望為放化療耐藥患者帶來新的治療選擇。
該研究不僅在基礎科學領域取得了重大突破，更為臨床治療提供了新的方向，標志著從基礎研究到臨床應用的重要一步。研究團隊已啟動臨床試驗，期待能夠早日為胃癌、腸癌等耐藥性腫瘤患者帶來福音。未來研究應繼續(xù)探索乳酸化在其他DNA修復蛋白中的作用機制，評估不同癌癥類型中NBS1乳酸化修飾的普遍性和臨床相關性。此外，開發(fā)針對乳酸代謝和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制研究和臨床試驗，將這一發(fā)現(xiàn)轉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量。
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圖2、乳酸誘導NBS1 K388乳酸化，TIP60介導NBS1 K388乳酸化
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