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Cell Res | 广州医科大学李斌团队2-羟基异丁酰化修饰研究揭示癌症转移全新机制

精准医学与蛋白组学

2023.3.08

景杰生物 | 报道

癌症转移(cancer metastasis)是癌症导致死亡的主要原因，尽管已在食管鳞状细胞癌 (ESCC)中发现某些基因突变与转移相关，但基因组改变不能完全解释癌症转移的潜在机制。蛋白质的翻译后修饰（PTM）可以通过调节蛋白质的定位、表达和相互作用，增加蛋白质的功能多样性和调控复杂性。针对翻译后修饰的系列研究，特别是乙酰化、乳酸化、琥珀酰化、2-羟基异丁酰化等系列新型酰化修饰，极大地支持了癌症治疗新策略的探索和有效抗肿瘤药物的开发。然而，新型酰化修饰在癌症中的生物学功能和调节机制仍在很大程度上未知。

2023年3月8日，广州医科大学附属第五医院李斌课题组在权威期刊Cell Research发表题为Lysine 2-hydroxyisobutyrylation of NAT10 promotes cancer metastasis in an ac4C-dependent manner的研究论文。研究针对20对原发性食管肿瘤和转移性肿瘤组织进行了2-羟基异丁酰化修饰组学（Khib）分析与CRISPR/Cas9功能筛选，首次报道了N-乙酰转移酶10（NAT10）的Khib修饰是癌症转移的关键机制。NAT10上第823位Khib修饰增强其与去泛素化酶USP39的相互作用，提升NAT10蛋白稳定性。NAT10进一步通过促进NOTCH3 mRNA的N4-乙酰胞苷(ac4C)修饰，增加其稳定性最终促进癌症转移。研究首次报道赖氨酸酰化修饰与RNA酰化修饰存在串扰，为人类癌症的表观遗传调控提供了新的见解，同时为抗肿瘤转移提供了新的思路。景杰生物为该研究提供了系列新型酰化修饰泛抗体与2-羟基异丁酰化修饰组学技术支持。

首先，研究团队运用新型酰化修饰泛抗体，发现Khib修饰水平在高转移性ESCC细胞系和转移性肿瘤细胞/组织中存在显著变化。另外，在匹配的结直肠癌和肺癌细胞和组织中获得了一致的结果，表明这种现象的一致性和普遍性。研究人员进一步对20例ESCC原发肿瘤组织（T）、匹配的正常组织（N）和淋巴结转移组织（LN）（样本策略）进行了系统的蛋白质组学和Khib修饰组学分析（图1a、b、c），绘制了原发性/转移性ESCC肿瘤组织的Khib修饰图谱。研究共定量到5384个蛋白质和39,997个Khib修饰位点（鉴定到56030个Khib位点），其中2519个蛋白质和6754个位点在转移性肿瘤中发生了显著差异。与癌症进展相关的Khib修饰蛋白（DEKP）主要富集在核酸和RNA加工途径中（图1e、f、g）。研究产生的Khib蛋白质组数据，同时也为癌症和其他疾病的机制研究提供关键的数据库资源。

图1、原发性/转移性ESCC肿瘤组织的Khib修饰分析

通过整合组织/细胞的Khib蛋白质组数据和CRISPR/ Cas9功能筛选，研究人员发现N-乙酰转移酶（NAT10）是与肿瘤转移相关的重要Khib底物蛋白。NAT10被报道在结直肠癌、乳腺癌等癌症中起重要作用，并且是唯一报道过的RNA ac4C修饰的关键酶。研究进一步发现，NAT10上第823位的Khib修饰对于肿瘤转移是必需的，并且NAT10的823-Khib可用于预测癌症患者的预后。此外，通过生化手段筛选，研究人员也发现赖氨酸乙酰转移酶7（KAT7）和沉默调节蛋白7（SIRT7）分别是NAT10 Khib修饰的Writer和 Eraser。这些发现揭示了Khib修饰调控的分子机制，为蛋白质功能研究和药物开发开辟了新途径。

图2、NAT10在823位的Khib修饰对于癌症转移是必需的

除了以上重要发现外，研究进一步揭示了NAT10 Khib修饰调控肿瘤转移的分子机制。通过蛋白免疫沉淀-质谱联用法 (IP-MS)，发现NAT10蛋白上823 Khib修饰增强了其与去泛素化酶USP 39的相互作用，导致NAT10蛋白稳定性增加。NAT10又通过ac4C依赖性方式增加NOTCH3 mRNA稳定性进而促进肿瘤转移。说明NAT10的Khib修饰影响下的NOTCH3 mRNA的ac4C修饰构成癌症转移的关键调节开关。此外，研究发现了先导化合物（#7586-3507）可抑制NAT10 Khib修饰，并且低浓度的该化合物可在体内肿瘤模型中有效抑制肿瘤转移，证明了药理学抑制NAT10 K823 Khib修饰是一种潜在的抗肿瘤转移新策略。

图3、NAT10催化NOTCH3 mRNA ac4C修饰以提高其稳定性

综上所述，该研究首次开展了原发性/转移性ESCC肿瘤组织的Khib修饰的系统性分析，发现了调控肿瘤转移的关键因子：NAT10第823位Khib修饰。研究发现，KAT7和SIRT7分别是NAT10 Khib修饰的Writer和Eraser，并进一步揭示了NAT10 Khib修饰调控肿瘤转移的分子机制，为蛋白Khib修饰与RNA ac4C修饰的串扰提供了理论依据，开启了赖氨酸酰化修饰在癌症中作用的新篇章，而且还为Khib修饰在生理以及病理情况下的研究提供了重要案例和宝贵资源。

值得一提的是，Khib修饰自2016年发现以来，已经助力较多研究成果发表。该文章首次将Khib修饰引入大规模肿瘤临床研究。我们可以看到，该研究中通过修饰组学技术检测到了大量的组蛋白和非组蛋白Khib修饰位点（超过56000个位点），一方面说明Khib修饰的丰度极高，甚至和磷酸化修饰类似，Khib修饰的高丰度也预示着其在生理过程中的重要作用；另一方面超大规模的Khib修饰数据库也为后续的数据挖掘和拓展研究提供了丰富的分子资源库，为全面且有效的分子机制探究和疾病分子分型提供了强力支撑。我们相信该Khib修饰的研究会对其它临床科学问题的阐述提供信心和范例，也期待未来更多的Khib修饰功能被不断揭示。