新研究發(fā)現(xiàn)乳酰CoA合成酶GTPSCS

近日，中國(guó)科學(xué)院上海藥物研究所黃河課題組與芝加哥大學(xué)趙英明教授團(tuán)隊(duì)合作，鑒定了乳酰CoA合成酶GTPSCS，并揭示了GTPSCS/p300/H3K18la信號(hào)軸協(xié)同調(diào)控組蛋白H3K18la水平和GDF15表達(dá)，促進(jìn)膠質(zhì)瘤細(xì)胞增殖和放射耐藥的表觀遺傳新機(jī)制。該成果于2024年12月5日以“Nuclear GTPSCS functions as a lactyl-CoA synthetase to promote histone lactylation and gliomagenesis”為題發(fā)表在Cell Metabolism雜志上。

乳酸 (Lactate) 是哺乳動(dòng)物糖酵解代謝中的主要產(chǎn)物，其生物學(xué)功能因腫瘤細(xì)胞中存在的“瓦伯格效應(yīng)(Warburg effect)”而得到廣泛關(guān)注。組蛋白賴氨酸乳酰化修飾(Lysine lactylation)通路是一種生理和病理相關(guān)的表觀遺傳途徑，可以被Warburg效應(yīng)產(chǎn)生的乳酸誘導(dǎo)增強(qiáng)。然而，細(xì)胞利用乳酸生成乳酰輔酶A (Lactyl-CoA)的具體機(jī)制以及這一過程如何被調(diào)節(jié)仍然未知。

本項(xiàng)研究中，科研人員首先通過在細(xì)胞水平上篩選12個(gè)脂肪酰基輔酶A合成酶，發(fā)現(xiàn)琥珀酰輔酶A合成酶GTPSCS能夠顯著調(diào)節(jié)組蛋白Kla水平，并與膠質(zhì)瘤的分級(jí)和預(yù)后相關(guān)。GTPSCS通常被認(rèn)為是一種線粒體合成代謝酶，在肝臟的合成代謝過程中發(fā)揮作用。鑒于GTPSCS對(duì)組蛋白Kla的影響，作者推測(cè)GTPSCS可能具有乳酰輔酶A合成酶活性。為證實(shí)這一推測(cè)，首先開展了體外酶活實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明GTPSCS可催化乳酸形成乳酰輔酶A，其米氏常數(shù)（Km）為15.32 ± 1.28 mM。其次，晶體衍射結(jié)果顯示GTPSCS主要通過N308位置氫鍵與乳酸相互作用結(jié)合（圖1）。

乳酸和乳酰輔酶A是調(diào)節(jié)組蛋白乳酰化修飾的關(guān)鍵前體。研究表明乳酸主要在胞漿中通過糖酵解產(chǎn)生，然而，組蛋白乳酰化修飾卻發(fā)生在細(xì)胞核中，細(xì)胞核內(nèi)的乳酰輔酶A是在胞質(zhì)中生成后再進(jìn)行核易位，還是在細(xì)胞核中重新合成尚不清楚。作者通過免疫熒光染色發(fā)現(xiàn)GTPSCS能進(jìn)行核易位，且依賴于G1亞基的核定位序列。為了進(jìn)一步揭示GTPSCS介導(dǎo)組蛋白乳酰化修飾的機(jī)制，作者通過親和純化質(zhì)譜以及體外免疫共沉淀等實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證GTPSCS的G2亞基殘基K73的乙酰化介導(dǎo)其與p300的相互作用。為了確定p300/ GTPSCS調(diào)控的組蛋白Kla修飾位點(diǎn)，作者通過基于SILAC的定量蛋白質(zhì)組學(xué)發(fā)現(xiàn)H3K18la是核GTPSCS/p300復(fù)合體調(diào)節(jié)的主要組蛋白Kla位點(diǎn)，且不調(diào)控H3K18succ的水平。以上數(shù)據(jù)表明，GTPSCS核定位以及K73ac修飾是形成活躍的GTPSCS/p300核復(fù)合物以進(jìn)行組蛋白乳酰化反應(yīng)所必需的。

乳酸脫氫酶依賴的乳酸合成已被證明通過多種機(jī)制促進(jìn)膠質(zhì)瘤的進(jìn)展。此外，血清中乳酸水平與膠質(zhì)瘤分級(jí)密切相關(guān)。由于GTPSCS催化乳酸形成乳酰輔酶A進(jìn)而調(diào)控Kla水平，作者進(jìn)一步探索了GTPSCS介導(dǎo)的Kla在膠質(zhì)瘤細(xì)胞中的生物學(xué)功能。通過ChIP-Seq和RNA-Seq分析發(fā)現(xiàn)，H3K18la在GDF15、SCX和DYNLT4等基因的啟動(dòng)子區(qū)域高度富集。此前研究表明GDF15與膠質(zhì)母細(xì)胞瘤（GBM）預(yù)后不良和免疫逃逸有關(guān)，研究者通過TCGA數(shù)據(jù)庫(kù)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)GDF15與SCX基因的高表達(dá)與GBM患者預(yù)后不良有關(guān)，而GTPSCS亞基的基因突變降低了GDF15的表達(dá)。以上結(jié)果表明GDF15是GTPSCS/p300/H3K18la軸的重要靶點(diǎn)，在膠質(zhì)瘤的進(jìn)展中發(fā)揮重要作用。

為了探討GTPSCS對(duì)膠質(zhì)瘤形成的影響，研究者進(jìn)行裸鼠皮下異種移植實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明G1亞基的核定位信號(hào)和G2亞基的K73ac是GTPSCS調(diào)節(jié)組蛋白Kla水平，促進(jìn)膠質(zhì)瘤細(xì)胞增殖和腫瘤發(fā)展的關(guān)鍵。其次，研究者通過檢測(cè)170例膠質(zhì)瘤臨床組織中H3K18la與核內(nèi)GTPSCS的水平，發(fā)現(xiàn)兩者表達(dá)呈正相關(guān)。該研究表明GTPSCS作為乳酰輔酶A合成酶易位進(jìn)入細(xì)胞核并與p300相互作用調(diào)控組蛋白乳酰化，這一過程依賴于GTPSCS G1亞基的核定位信號(hào)和G2亞基K73的乙酰化，GTPSCS/p300協(xié)同調(diào)節(jié)組蛋白H3K18la和GDF15的表達(dá)，促進(jìn)膠質(zhì)瘤進(jìn)展。

該研究發(fā)現(xiàn)GTPSCS是乳酰輔酶A合成酶，揭示GTPSCS在膠質(zhì)瘤中通過催化乳酰輔酶A合成調(diào)控組蛋白乳酰化的表觀遺傳和致癌基因表達(dá)，闡明了GTPSCS利用腫瘤產(chǎn)生的高乳酸，操縱其代謝途徑以支持腫瘤增殖的特定機(jī)制。這種復(fù)雜的相互作用表明GTPSCS在協(xié)調(diào)癌癥相關(guān)代謝改變中的重要性，揭示了旨在破壞維持膠質(zhì)瘤生長(zhǎng)的代謝適應(yīng)性的治療干預(yù)潛在靶點(diǎn)。

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