研究人员揭示肿瘤代谢物如何阻碍DNA修复

早在19世纪末，基因组不稳定会导致癌症染色体数目异常已被广泛研究，随后，肿瘤细胞倾向于使用与正常细胞不同的葡萄糖和能量代谢途径的发现，使得代谢改变才被关注。因此，基因组不稳定和代谢改变是大多数肿瘤细胞的共同特征，但这两个过程在癌症中的联系却鲜有报道。

近日，《Nature》期刊揭示了肿瘤细胞中积累到较高水平的几种代谢物如何抑制DNA修复的机制，从而指出代谢改变与DNA损伤引起的基因组不稳定性之间的直接联系。该研究由耶鲁大学医学院Sulkowski等人完成。

doi: 10.1038/d41586-020-01569-1

异柠檬酸脱氢酶1和2(isocitrate dehydrogenase 1 and 2，IDH1和IDH 2)基因突变使细胞中代谢物2-羟基戊二酸(2-hydroxyglutarate，2-HG)大量积累。延胡索酸水合酶（fumarate hydratase，FH）和琥珀酸脱氢酶（succinate dehydrogenase，SDHA, SDHB, SDHC and SDHD）的基因突变导致延胡索酸和琥珀酸分子增多。这3种代谢物的积累都会促进肿瘤发展，因此被称为肿瘤代谢物（oncometabolites）。

α-酮戊二酸(α-ketoglutarate，α-KG)是克雷布斯循环通路中的一个中间产物，也是α-KG/Fe(II)依赖双加氧酶家族所必需的物质。该家族通过其α-KG与酶活性部位结合，进而参与催化蛋白质、DNA、RNA和脂类中的氧化反应。而2-HG、延胡索酸、琥珀酸这3种代谢物在结构上类似于α-KG，因此能与α-KG竞争结合该催化部位，从而抑制这些酶。

其中，赖氨酸组蛋白脱甲基酶(lysine histone demethylase，KDM)可以修饰染色质，即催化DNA结合组蛋白3（DNA-binding histone 3，H3)的赖氨酸残基（lysine amino-acid residue， termed K9）去甲基化。密切相关的是KDM4A和KDM4B。H3K9的甲基化与同源依赖修复(homology-dependent repair，HDR)的途径相连，可用于修复DNA双链断裂(double-strand breaks，DSBs)，即最危险的DNA损伤类型。

肿瘤代谢物如何抑制DNA损伤的修复

Sulkowski等人研究发现，肿瘤代谢物可抑制HDR途径，同时确认KDM4A和KDM4B对DSB修复至关重要，还发现HDR涉及到多个修复因子的序列招募到DSB位点，其中Tip60蛋白是最先到达受损区域的蛋白质，且ATM也是DNA修复所需的关键蛋白。为了深入探究，他们使用了一种系统，使体外培养的人类细胞能够精确地启动DSB并监测修复过程。

肿瘤代谢物直接抑制HDR

通过在体外培养的人类癌细胞中研究HDR，发现在DSB位点处，H3K9局部添加3个甲基以生成的三甲基化的H3K9me3残基，它在HDR的起始过程中起关键作用。此外，编码IDH1、IDH2、延胡索酸水合酶或琥珀酸脱氢酶的基因发生突变的肿瘤细胞中，高水平的肿瘤代谢物抑制了KDM4B。这些结果都表明，去甲基化的抑制导致了广泛的H3K9高甲基化，掩盖了H3K9me3标记的特定局部的出现，损害了HDR和DSB修复所需因子的募集。

肿瘤代谢物抑制HDR因子逐步招募到DNA的DSBs

此外，肿瘤代谢物不仅抑制了HDR的途径，还对正在进行临床试验的ADP-核糖聚合酶(poly(ADP-ribose)polymerase,PARP)抑制剂具有高度敏感性。PARP酶可促进单链DNA断裂的修复，阻断PARP的抑制剂被用于治疗某些类型的癌症，而探究肿瘤代谢物抑制HDR的机制则有助于为由代谢物累积引起的肿瘤提供有效的治疗策略。

参考资料：

[1] Tumour metabolites hinder DNA repair

[2]Oncometabolites suppress DNA repair by disrupting local chromatin signalling