缺氧诱导 PRMT1 甲基化修饰 HIF2β：乳腺癌发生发展的关键驱动因素及潜在治疗新靶点

《Cell Reports》：Hypoxia-induced PRMT1 methylates HIF2β to promote breast tumorigenesis via enhancing glycolytic gene transcription

推荐阅读：本文聚焦乳腺癌研究，发现缺氧诱导下 PRMT1 作为 HIF1α 的直接转录靶点，可甲基化 HIF2β，增强 HIF1α/HIF2β 异二聚体活性，促进糖酵解基因转录，推动肿瘤发生。抑制 PRMT1 可抑制肿瘤生长，为乳腺癌治疗提供新方向。

　　

研究背景

乳腺癌是全球女性中最常见的恶性肿瘤，现有治疗手段对转移性和复发性病例存在局限性，寻找新的治疗靶点和药物至关重要。缺氧在实体肿瘤（包括乳腺癌）中普遍存在，可调节多种肿瘤相关过程，促进肿瘤进展、转移、免疫逃逸和治疗抵抗。缺氧诱导因子（HIFs）是缺氧反应的关键调节因子，由氧敏感的 α 亚基（HIFα）和稳定的 β 亚基（HIFβ/ARNT）组成。在缺氧条件下，HIFα 积累并与 HIFβ 形成异二聚体，激活靶基因转录。HIF2β 在多种癌症中过表达，与乳腺癌预后不良相关。蛋白质精氨酸甲基转移酶 1（PRMT1）是一种参与多种细胞过程的酶，在乳腺癌发展中也起重要作用，但其在缺氧诱导的乳腺癌代谢重编程中的作用尚不清楚。

研究结果

1. PRMT1 是乳腺癌细胞缺氧条件下 HIF1α 的直接靶点：通过对 MCF7 细胞在常氧和缺氧条件下的转录组分析，发现 14 种表观遗传调节因子在缺氧时上调，其中 PRMT1 在乳腺癌肿瘤样本中高表达且与患者预后不良相关。进一步研究证实，PRMT1 的表达受 HIF1α 调控，HIF1α 可结合到 PRMT1 启动子上，表明 PRMT1 是 HIF1α 的直接靶点。
2. PRMT1 对缺氧诱导的糖酵解基因转录激活至关重要：敲低 PRMT1 后，617 个缺氧诱导基因表达下调，这些基因主要富集在缺氧和糖酵解途径。荧光素酶报告基因实验、RT-qPCR 和免疫印迹实验表明，PRMT1 敲低会减弱糖酵解基因（如 GLUT1、HK2 和 LDHA）的表达，减少乳酸产生和细胞外酸化率。野生型 PRMT1 可挽救 PRMT1 敲低导致的变化，说明 PRMT1 的酶活性对调节糖酵解基因表达至关重要。
3. PRMT1 与 HIF2β 相互作用并在 R42 位点甲基化修饰 HIF2β：研究发现 HIF2β 是 PRMT1 的底物，PRMT1 可在 HIF2β 的精氨酸 42（R42）位点进行不对称二甲基化修饰（R42me2a）。敲低 PRMT1 会降低 HIF2β 的甲基化水平，而过表达 PRMT1 则会增强其甲基化，且这种修饰依赖于 PRMT1 的酶活性。GST pull-down 实验证实 PRMT1 与 HIF2β 的 N 端相互作用，R42 突变为赖氨酸（R42K）会消除甲基化。临床乳腺癌组织样本显示，PRMT1 表达和 HIF2β R42me2a 水平均高于相邻正常组织。
4. PRMT1 介导的 HIF2β R42 甲基化通过促进 HIF1α/HIF2β 异二聚体形成激活缺氧诱导的糖酵解基因：敲低 HIF2β 与敲低 PRMT1 类似，会显著降低缺氧诱导的 HRE 驱动的荧光素酶报告基因活性、糖酵解基因表达和乳酸产生。HIF2β（WT）可挽救 HIF2β 敲低导致的缺陷，而 HIF2β（R42K）则不能。PRMT1 敲低会减少 HIF2β 与 HIF1α 的结合，而 HIF2β（R42K）与 HIF1α 的结合也较弱。染色质免疫沉淀实验表明，PRMT1 敲低会减弱 HIF1α 和 HIF2β 与糖酵解基因启动子的结合。
5. PRMT1 介导的 HIF2β R42 甲基化促进乳腺癌细胞的恶性表型：敲低 PRMT1 或 HIF2β 会抑制 MCF7 和 MDA-MB-231 细胞的生长、迁移和侵袭能力，在体内实验中也抑制了肿瘤生长。HIF2β（R42K）不能像 HIF2β（WT）那样有效挽救 HIF2β 敲低导致的细胞生长、迁移和侵袭缺陷，表明 HIF2β R42 甲基化在乳腺癌细胞恶性表型中起重要作用。
6. iPRMT1 抑制 PRMT1 介导的 HIF2β 甲基化、缺氧诱导的糖酵解基因表达和乳酸产生：iPRMT1 是一种选择性 PRMT1 抑制剂，处理 MCF7 和 MDA-MB-231 细胞后，可显著降低 HIF2β R42 甲基化水平，减少 HIF1α 与 HIF2β 的相互作用，降低 HIF1α 和 HIF2β 与糖酵解基因启动子的结合，减弱糖酵解基因表达和乳酸产生。在体内实验中，iPRMT1 处理的肿瘤组织中 HIF2β R42 甲基化和糖酵解基因表达也降低。
7. iPRMT1 与 HIF1α 抑制剂 MEN 联合治疗对抑制乳腺癌肿瘤生长具有协同作用：MEN 是一种抑制 HIF1α 与 p300 相互作用的化合物。联合使用 iPRMT1 和 MEN 对 HIF1α/HIF2β/p300 复合物的形成、HIF1α 和 HIF2β 与糖酵解基因启动子的结合、糖酵解基因表达、乳酸产生以及细胞生长、迁移和侵袭的抑制作用均具有协同效应。在体内实验中，联合治疗对 MCF7 和 MDA-MB-231 细胞衍生的异种移植小鼠模型的肿瘤生长抑制效果显著优于单药治疗，且 MEN 单独治疗的致死性在与 iPRMT1 联合治疗时得到缓解。

研究讨论

肿瘤微环境中的缺氧与癌症的发生发展密切相关，HIF 在肿瘤代谢重编程中起关键作用，阻断 HIF 活性有望为癌症治疗提供新靶点。越来越多研究表明缺氧与癌症细胞的表观遗传调控有关，但在乳腺癌中缺氧诱导的代谢重编程中表观遗传调控的具体作用仍不清楚。本研究发现 PRMT1 在缺氧条件下被诱导，且在乳腺癌肿瘤样本中高表达，与患者预后不良相关。PRMT1 通过甲基化 HIF2β 的 R42 位点，促进 HIF1α/HIF2β 异二聚体形成和与糖酵解基因启动子的结合，从而激活糖酵解基因转录，促进乳酸产生和乳腺癌细胞生长。这一发现揭示了一个由 PRMT1、PRMT1 介导的 HIF2β 甲基化和 HIF2β/HIF1α 异二聚体组成的分子轴，在乳腺癌的发生发展中起重要作用。

从临床意义来看，PRMT1 在乳腺癌中高度表达且其介导的 HIF2β R42 甲基化促进肿瘤相关过程，因此靶向 PRMT1 可能是治疗乳腺癌的有前景的方法。iPRMT1 对乳腺癌肿瘤生长的抑制作用，以及与 MEN 联合治疗的协同效应，为乳腺癌的治疗提供了新的策略。然而，本研究也存在一定局限性。研究主要基于体外细胞培养模型和异种移植小鼠模型，可能无法完全反映人类乳腺癌肿瘤微环境的复杂性。此外，iPRMT1 和 MEN 的潜在脱靶效应和长期安全性需要进一步研究，PRMT1 介导的 HIF2β 甲基化的临床相关性也需要在更大的患者队列和纵向研究中进行验证。未来的研究应致力于解决这些问题，以加强本研究结果的临床转化应用。