代谢酶在细胞分裂和DNA修复中发挥着意想不到的作用

基因组调控中心（CRG）的研究人员揭示，在能量生产和核苷酸合成中发挥作用的代谢酶，在细胞核内承担了意想不到的“第二份工作”，协调细胞分裂和DNA修复等关键功能。

　　

刚发表在《自然通讯》上的两篇独立研究论文报道了一个发现——在能量生产和核苷酸合成中发挥作用的代谢酶，在细胞核内承担了意想不到的“第二份工作”：协调细胞分裂和DNA修复等关键功能，它不仅挑战了细胞生物学中长期存在的生物学范式，而且为癌症治疗开辟了新的途径，特别是针对侵袭性肿瘤，如三阴性乳腺癌（TNBC）。

几十年来，生物学教科书对细胞功能进行了整齐的划分。线粒体是细胞的动力源，细胞质是蛋白质合成的繁忙工厂，细胞核是遗传信息的保管者。然而，基因组调控中心（CRG）的的Sara Sdelci博士的团队发现，这些细胞区室之间的边界比之前认为的要模糊，代谢酶在细胞核内也有意想不到的重要作用。代谢酶在亚细胞区隔化，特定的代谢环境下表现出特定的细胞功能。某些代谢酶可以转移到细胞核，影响染色质重塑、表观遗传学和转录调控，这些代谢酶的核易位是表观遗传调控和基因表达控制所必需的。在细胞核中检测到代谢酶，挑战了代谢物通过核孔被动扩散的旧范式，为核代谢的新研究领域铺平了道路。

“代谢酶在它们的传统社区之外兼职。这就像发现你当地的面包师也是隔壁小镇的酿酒师一样。他们的技能有重叠之处，但他们为完全不同的目的做着完全不同的工作。”“令人惊讶的是，它们在细胞核中的次要作用与它们的主要代谢功能一样重要。这是我们以前没有意识到的一个新的复杂层面。”Sara Sdelci是这两篇研究论文的主要作者。

代谢酶MTHFD2

其中一项研究专注于代谢酶MTHFD2。传统上，MTHFD2存在于线粒体中，它在合成生命基石和促进细胞生长方面起着关键作用。研究人员Natalia Pardo Lorente博士的研究表明，MTHFD2也在细胞核内兼职，在确保细胞正常分裂方面起着关键作用。这项研究首次证明，细胞核依赖于代谢途径来维持人类基因组的完整性和稳定性。“我们的发现从根本上改变了我们对细胞如何组织的理解，”Pardo Lorente博士解释说。“细胞核不仅仅是DNA的被动存储空间；它有自己的代谢需求和过程。”

主要内容

单碳叶酸代谢是一个关键途径，对于核苷酸的从头合成、氨基酸稳态、DNA和组蛋白甲基化以及细胞氧化还原状态的维持都是必不可少的。叶酸代谢在细胞质和线粒体之间是区隔化的，线粒体单碳代谢酶亚甲基四氢叶酸脱氢酶2 （MTHFD2）在胚胎发育和癌症期间表达，是癌症中最常见的过度表达代谢基因之一，并且在成人组织中几乎不表达，这使其成为一个非常有吸引力的抗癌靶点。高水平的MTHFD2与多种癌症的预后较差有关，包括乳腺癌、结肠癌和肺癌。MTHFD2已被证明在体外支持癌细胞增殖和存活，在体内支持肿瘤生长，并促进转移和侵袭。

新研究表明，线粒体酶亚甲基四氢叶酸脱氢酶2 （MTHFD2）可以定位于细胞核，核定位后与甲基转移酶KMT5A和DNMT3B和PRMT1相互作用——后面这几个蛋白参与有丝分裂调节和着丝粒稳定，负责调节DNA和着丝粒组蛋白甲基化，确保有丝分裂的进展。MTHFD2的缺失会导致严重的甲基化缺陷，DNA和着丝粒组蛋白甲基化的急剧减少，着丝粒α-卫星表达的增加，以及基因组畸变的积累，阻碍有丝分裂的正确完成。总MTHFD2缺失或其单独的核抑制均可诱导细胞表现为染色体聚集和分离缺陷，积累染色体畸变，细胞周期进程受损害，有丝分裂事件显著减少。这表明MTHFD2的细胞核定位，在控制着丝粒异染色质维持及有丝分裂中正确的细胞分裂起着积极的酶促作用。将MTHFD2限制在细胞核中足以确保正确的有丝分裂过程。这项研究揭示了代谢酶MTHFD2的核易位是满足精确染色质需求所必需的。

代谢酶IMPDH2

在第二项研究中，研究人员Marta García-Cao博士和Lorena Espinar博士将他们的注意力转向了三阴性乳腺癌，这是最具侵袭性的乳腺癌类型。大约八分之一的乳腺癌诊断是由这种疾病引起的，全世界每年大约有20万新病例。本来，过度的DNA损伤会引发细胞死亡。然而，三阴性乳腺癌有累积DNA损伤而不产生后果的倾向，因而对传统治疗具有“弹性”。这项研究在一定程度上解释了原因：代谢酶IMPDH2重新定位到三阴性乳腺癌细胞的细胞核，以协助DNA修复过程。“IMPDH2就像细胞核中的机械师一样，控制DNA损伤反应，否则就会杀死癌细胞，”García-Cao解释说。

主要内容

DNA损伤后细胞的命运很大程度上取决于PARP1的激活水平，PARP1是一种已经被现有癌症药物潜力的靶点。当DNA损伤过度时，PARP1的过度激活会导致细胞程序性死亡（凋亡或parthanatos）或坏死，而不是促进DNA修复。“如何死亡”的选择主要取决于细胞在试图修复损伤后的剩余能量水平。在DNA严重受损的细胞中，PARP-1过度活跃可导致烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）消耗升高，导致能量消耗和坏死。该级联可被Caspase介导的PARP1裂解阻断，从而引发细胞凋亡。但是，癌细胞的DNA损伤反应途径中通常存在缺陷，例如三阴性乳腺癌（TNBC）是一种通常容易发生DNA损伤积累的“顽固”亚型。

这项研究发现TNBC的染色质上富集了催化嘌呤合成的肌苷单磷酸脱氢酶2：IMPDH2，而这种在鸟嘌呤核苷酸的新生生物合成中催化限速步骤的代谢酶——是PARP1的染色质伴侣。在诱导DNA损伤时，IMPDH2被招募到染色质上，在那里它与PARP1相互作用。这种相互作用调节NAD+的可用性，从而控制PARP1的活动。IMPDH2在染色质定位依赖于DNA损伤，在染色质上IMPDH2通过控制NAD+在“细胞核内的可用性”与PARP1相互作用并调节其激活水平来控制DNA损伤期间的细胞命运。IMPDH2的定位和表达水平与细胞适应性、DNA损伤修复和核NAD+水平的平衡有关。通过实验操纵IMPDH2水平，研究小组发现他们可以打破平衡，强制IMPDH2进入细胞核可观察到，即使在没有外源DNA损伤的情况下，细胞核内增加IMPDH2也会使癌细胞的修复机制不堪重负，耗尽核内的NAD+，导致PARP1也被切割并易位到细胞质中和细胞自我毁灭。“这就像一艘正在下沉的船超载了更多的水——；最终，它下沉得更快。”Espinar说。他们的方法可以有效地迫使TNBC细胞屈服于DNA损伤。

研究确定了IMPDH2的细胞核作用，核IMPDH2是细胞通过控制核NAD+可用性和PARP1激活来平衡其对DNA损伤的反应所必需的，是核代谢和DNA损伤反应的交叉点。这项研究还可能带来监测癌症的新方法。IMPDH2可以作为一种生物标志物来预测哪些肿瘤会对PARP1抑制剂产生反应。

意义

这两项研究都有助于通过利用其代谢脆弱性来治疗癌症的新兴领域。“代谢酶是一种全新的治疗靶点，有待我们开发。它为对癌细胞的双管齐下的攻击铺平了道路：破坏它们的能量产生，同时削弱它们修复DNA和正常分裂的能力。将这一策略与常规治疗相结合可以减少癌症的适应空间，并有助于解决耐药性的通常机制，”Sdelci博士解释说。

虽然酶在细胞中有多种作用的概念并不是全新的，但研究表明，这些“第二工作”的范围和意义才刚刚开始得到重视。“这是一个范式的转变，可能还有更多的兼职代谢酶尚未被发现，”Pardo Lorente博士说。“细胞之间的联系比我们想象的要紧密，这为科学和医学开辟了令人兴奋的可能性。”