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我院石雨江教授团队在Nature上揭示糖尿病与癌症内在关联的表观遗传调控通路

发表时间:2018-07-20  |  阅读次数:284次  |  字体大小 [ ]

       糖尿病是一种非常复杂的以高血糖为特征的代谢综合疾病,常伴有严重的、有生命危险的并发症。既往的流行病学研究显示,糖尿病会增加患癌风险。而高血糖可能是导致糖尿病与癌症相关性的最主要因素。不过,研究人员尚不清楚这种相关性背后的分子机制,也不清楚高血糖如何诱导遗传或表观遗传的变化,并最终引发癌症。

       DNA去甲基化酶——TET家族蛋白是最近10年来表观遗传领域最受关注的明星蛋白之一,哺乳动物中包括TET1/2/3三个成员,其中TET2因为与一些包括肿瘤在内的疾病(比较突出的是白血病患者中TET2基因的突变频率较高【1】)发生发展相关而受到广泛关注,此外,某些肿瘤中TET2介导的DNA去甲基化产生的5hmC水平还可以作为一种标志物(2012年,石雨江课题组在Cell报道了5hmC的变化与黑色素瘤的发生发展直接关联)【2,3】。 

       TET蛋白是一类依赖于 Fe(II)和 α- 酮戊二酸的双加氧酶,而α- 酮戊二酸(α-KG)是一种代谢产物,那么可以想象TET是可以受到细胞内的代谢水平调控。事实上过去就有研究表明当异柠檬酸脱氢酶IDH突变时会导致其催化产物从α-KG变成了2-羟基戊二酸(R-2HG),进而能够抑制Fe(II)/α-KG依赖双加氧酶的活性(相关工作是由熊跃、管坤良和赵世民组成的合作团队2011年发表在Cancer Cell,目前总被引次数超过1400次)【4】。除此之外,由于维生素C可以作为电子供体将铁离子维持在二价状态,因此,维C也是可以通过影响Fe(II)进而调控TET的活性,去年多篇文章都聚焦维C通过调控TET2来影响白血病的治疗【5-6】。那么从代谢水平来看,除了间接通过影响Fe(II)或者α-KG来调控TET的活性之外,还有其它的形式吗?另外,从TET蛋白自身来看,尽管它的重要性不言而喻,但是TET具体是如何被调控的,目前还所知甚少。

       北京时间7月19日凌晨,复旦大学生物医学研究院石雨江教授课题组在Nature上在线发表了题为Glucose-regulated phosphorylation of TET2 by AMPK reveals a pathway linking diabetes to cancer的论文,揭示了由能量感受器AMPK介导的TET2磷酸化通路在连接糖尿病与癌症过程中的重调作用及其相关分子机制,还从表观遗传的角度阐述了“神药”二甲双胍在抑制肿瘤中的作用机理。此外,该研究提供了一个模型表明有害环境是如何直接将表观组重编程为致癌状态,提供了一个潜在的癌症治疗策略。

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      石雨江教授课题长期从事TET蛋白相关功能研究,在相关研究领域曾做出过重大贡献。在这项研究中,研究人员从代谢及其相关疾病的角度出发,提出科学问题——糖尿病患者的高血糖状态是否会影响TET催化的DNA去甲基化产物5hmC水平的变化。围绕这一问题,研究人员通过比较正常人与糖尿病患者基因组上整体5hmC的水平(搜集外周血单核细胞的DNA检测),结果发现糖尿病患者体内的5hmC水平显著低于正常人,但是5mC的整体水平没有显著差异。然后在细胞水平通过在高糖或低糖(葡萄糖)培养状态下检测细胞内整体5hmC水平,进一步表明了高糖状态导致低5hmC水平。 

      我们知道,TET1/2/3都能够介导DNA去甲基化产生5hmC,但是由于TET1和TET3通常在普通细胞以及肿瘤细胞中检测不到,故在疾病相关研究中通常聚焦在TET2蛋白上。首先,研究人员围绕TET2发现,细胞在高糖状态下,TET2的表达量显著降低,进一步发现是由于TET2的蛋白水平而非mRNA水平发生了变化,也就是说,TET2在高糖状态下其蛋白半衰期显著降低。随后,研究人员通过TET2酶活缺失突变体证明了TET2的酶活是葡萄糖影响5hmC水平所必须的,进一步通过甲基化/羟甲基化DNA免疫共沉淀测序技术发现,受葡萄糖水平影响的5hmC富集区域的基因与肿瘤以及肿瘤相关的通路密切相关。那么葡萄糖通过什么方式调控了TET2呢?

      AMPK作为细胞内重要能量的感受器,能够感知体内葡萄糖的水平,并且高度敏感【7】。由于AMPK是众所周知的一类强大的激酶,那么很容易会问TET2是否能被AMPK磷酸化。研究人员首先通过TET2的氨基酸序列分析发现了两个潜在AMPK催化位点,然后通过体外激酶实验结合质谱的手段发现TET2上的S99号位能够被AMPK磷酸化,而另一个预测的磷酸化位点基本不受AMPK的影响。

    AMPK的活性会根据细胞内葡萄糖水平的变化迅速发生变化,当细胞处于低糖培养条件下AMPK会被迅速激活。前面已经知晓了在低糖条件下,TET2蛋白水平会显著下调,那么是否是因为AMPK被激活后磷酸化TET2导致的呢?进一步发现,细胞处于低糖状态下激活AMPK后然后磷酸化TET2的S99位导致的,最终影响了TET2蛋白的稳定性。关于TET2蛋白稳定性的问题,早在2012年哈佛大学张毅教授实验室研究发现TET的蛋白稳定性受calpains(一种胞内半胱氨酸蛋白酶,主要由胞内钙离子浓度的升高所激活)所调控【8】,而过去有研究表明蛋白质磷酸化后能够保护其不受calpains的切割,因此,也就是说细胞处于低糖状态后AMPK磷酸化TET2使之变得更稳定,细胞内5hmC水平上升,反之细胞处于高糖状态下TET磷酸化收到抑制变得不稳定,细胞内5hmC水平下降,这正好吻合了最初观测到糖尿病人体内5hmC水平较低的现象。

       在明确了相关分子机制后,研究人员从生物学意义的角度出发,通过肿瘤模型以及AMPK的激活剂二甲双胍证明了二甲双胍抑制肿瘤的效果是通过AMPK–TET2–5hmC通路实现的。

       总得来说,该研究首次发现了TET2蛋白上的磷酸化修饰在调控细胞内5hmC的重要作用,并且找了TET2上游的关键调控因子AMPK。从临床疾病的角度来讲,尽管有研究表明糖尿病与癌症风险增加密切相关【9】,但是这种关联背后的分子基础并不清楚,该研究一定程度上从表观遗传的角度解释了糖尿病患者为什么会增加患癌风险,也就是说糖尿病患者体内的低水平5hmC或许是导致肿瘤的重要因素。

       据悉,该课题由复旦大学生物医学研究院、复旦大学附属中山医院及哈佛布雷根医院合作完成。我院分时特聘教授、哈佛大学副教授石雨江为论文通讯作者;石雨江课题组吴镝(目前在康奈尔大学攻读博士学位)、胡笛(我院08级博士)、陈浩(我院08级博士)以及复旦大学附属中山医院肝脏外科主任医师、哈佛大学高级访问学者施国明为共同第一作者,相关工作主要在我院医学表观遗传与代谢重点实验室完成;此外,我院分时特聘教授施扬、附属中山医院院长樊嘉及生物医学研究院执行院长徐国良也对课题给予了大力支持和指导。

      我院分时PI、国家千人计划学者熊跃教授课题组长期从事TET以及肿瘤代谢相关研究,熊跃教授高度评价了该工作,他评论道:“该研究是非常有意义的发现,首次揭示了TET蛋白可以受磷酸化调控,更重要的是该研究将TET介导的DNA去甲基化与能量代谢联系到了一起,并且发现对一些人类重大疾病具有重要调控作用”。

      另据悉,相关成果发表之后得到了包括中国新闻网、光明网、人民政协网、凤凰网、文汇网、澎湃新闻、东方网等多家媒体的报道,引起了大众广泛的关注。

 

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41586-018-0350-5

 

参考资料:

1、Delhommeau, F., Dupont, S., Valle, V. D., James, C., Trannoy, S., Massé, A., ... & Lécluse, Y. (2009). Mutation in TET2 in myeloid cancers. New England Journal of Medicine, 360(22), 2289-2301.

2、Ko, M. et al. Impaired hydroxylation of 5-methylcytosine in myeloid cancers with mutant TET2. Nature468, 839–843 (2010).

3、Lian, C. G. et al. Loss of 5-hydroxymethylcytosine is an epigenetic hallmark of melanoma. Cell 150, 1135–1146 (2012).

4、Xu, W. et al. Oncometabolite 2-hydroxyglutarate is a competitive inhibitor of α-ketoglutarate-dependent dioxygenases. Cancer Cell 19, 17–30 (2011).

5、Cimmino, L., Dolgalev, I., Wang, Y., Yoshimi, A., Martin, G. H., Wang, J., ... & Grillo, I. (2017). Restoration of TET2 function blocks aberrant self-renewal and leukemia progression. Cell, 170(6), 1079-1095.

6、Agathocleous, M., Meacham, C. E., Burgess, R. J., Piskounova, E., Zhao, Z., Crane, G. M., ... & Spangrude, G. J. (2017). Ascorbate regulates haematopoietic stem cell function and leukaemogenesis.Nature, 549(7673), 476.

7、Lin, S. C., & Hardie, D. G. (2017). AMPK: sensing glucose as well as cellular energy status. Cell metabolism.

8、Wang, Y., & Zhang, Y. (2014). Regulation of TET protein stability by calpains. Cell reports, 6(2), 278-284.

9、Giovannucci, E., Harlan, D. M., Archer, M. C., Bergenstal, R. M., Gapstur, S. M., Habel, L. A., ... & Yee, D. (2010). Diabetes and cancer: a consensus report. CA: a cancer journal for clinicians, 60(4), 207-221.

 

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