Cell Metab(IF31.373)|南医大王学浩院士、武大张鹏团队发现肝细胞癌关键驱动因素:胸苷激酶1
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代谢重编程在肝细胞癌(HCC)的发展中起着至关重要的作用。然而,HCC进展背后的代谢重编程的关键驱动因素仍不清楚。2023年4月17日,南京医科大学王学浩、武汉大学张鹏等团队在Cell Metabolism上在线发表了题为“Thymidine kinase 1 drives hepatocellular carcinoma in enzyme-dependent and -independent manners”的文章,该研究利用大规模转录组数据库和生存相关性筛选,确定胸苷激酶1(TK1)是一个关键的驱动因素。研究人员通过非靶向代谢组、蛋白质组等多组学联合分析及蛋白互作等实验发现TK1不仅通过其酶活性和单磷酸脱氧胸苷(dTMP)的产生促进HCC的肿瘤发生,而且通过与蛋白精氨酸甲基转移酶1(PRMT1)结合促进糖酵解。因此,针对TK1的酶依赖性和非依赖性分子机制可能有助于开发不同的HCC治疗策略。与此同时,拜谱生物全新推出靶标发现与验证一站式服务,多组学分析+功能验证+互作验证赋能机制研究,助力科学研究的深与精。

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英文标题Thymidine kinase 1 drives hepatocellular carcinoma in enzyme-dependent and -independent manners(Cell Metabolism,IF=31.373,2023)

中文标题:胸苷激酶1以酶依赖和不依赖的方式驱动肝细胞癌

研究材料:小鼠肝脏等

组学技术:非靶向代谢组学和蛋白质组学

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主要研究结果

1

与HCC进展和预后高度相关的候选基因的鉴定

研究人员为了筛选出与HCC进展和预后高度相关的基因,分析研究了众多公共数据库,发现肝癌组织中癌症相关事件和代谢相关过程显著富集,并发现TK1与恶性肿瘤行为、代谢重编程和不良预后高度正相关(图1 A-E)。在TCGA和ICGC数据库中进一步验证了TK1在HCC中的表达水平高于邻近组织;并且发现TK1高表达个体的生存预后明显差于TK1低表达个体,TK1高表达组显示出与癌症进展和代谢重编程相关的生物过程的显著富集,突出了其在HCC进展中的重要性(图1 F-H)。

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图1 候选基因的确定

(图源:Li Q, et al., Cell Metab , 2023)


2

DNA低甲基化是TK1上调的原因

研究人员收集了90对HCC样本和相应的邻近样本,通过TK1 mRNA表达水平、TK1免疫组化(IHC)染色评分及Western blotting验证TK1在HCC中的表达上调(图2 A-C)。为了进一步探究HCC中可能导致TK1上调的潜在机制,研究人员比较了HCC组织、相应的癌旁组织、原代细胞、HCC细胞及DNA甲基化抑制剂孵育的HCC细胞中TK1 mRNA表达、DNA甲基化及TK1甲基化水平,表明TK1的上调可归因于HCC中TK1启动子的低甲基化(图2 D-M)。

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图2 TK1失调与DNA甲基化有关

(图源:Li Q, et al., Cell Metab , 2023)


3

TK1促进体内肿瘤生长和转移

研究人员发现TK1可促进体外HCC细胞的增殖、迁移和侵袭,进一步通过建立小鼠模型,评价HCC细胞在体内的增殖能力。通过观察小鼠肿瘤体积和重量、HE染色、免疫组化分析发现TK1敲低抑制了HCC细胞的增殖能力,提高凋亡率;TK1过表达可促进HCC细胞增殖,抑制细胞凋亡(图3 A-E)。利用原位肿瘤移植模型进一步研究TK1的体内生物学效应,大体外观和磁共振成像、生物发光成像、肺部HE染色及生存分析表明,TK1敲低组可抑制肝脏肿瘤生长及HCC细胞的肺转移,TK1过表达组则相反(图3 F-P)。

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图3 TK1在体内促进HCC的生长和转移

(图源:Li Q, et al., Cell Metab , 2023)


4

TK1增强HCC中的糖酵解代谢

为了进一步阐明TK1在HCC进展中的功能及相关的生物学过程,研究人员对YY8103细胞系进行了蛋白质组学和非靶向代谢组学分析。GO富集分析发现,代谢过程显著富集(图4 A-C)。代谢组学结果显示,随着TK1表达水平的改变,代谢谱发生了变化;KEGG通路分析发现,癌症中心碳代谢(CCM)是变化最大的通路(图4 E-F)。为了检测TK1对糖酵解的直接影响,研究人员进行了代谢通量分析、18F-FDG的测定以及结合临床HCC患者结果,发现TK1在体外和体内都有助于糖酵解(图4 G-J)。

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图4 TK1增强HCC中的糖酵解代谢

(图源:Li Q, et al., Cell Metab , 2023)


5

TK1通过中断TRIM48介导的泛素化降解来稳定蛋白精氨酸甲基转移酶1(PRMT1)

研究人员整合了IP-MS和蛋白质组学分析结果,确定了PRMT1是与TK1相互作用并受TK1调节的蛋白(图5 A-B)。CO-IP和谷胱甘肽S-转移酶(GST)pull-down实验表明,TK1与PRMT1直接相互作用(图5 C-D)。进一步的互作位点验证实验显示,PRMT1中TK1结合片段位于含有甲基转移酶结构域的N端(图5 E-H)。结合位点突变实验验证了TK1与PRMT1可直接相互作用(图5 I)。

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图5 TK1与PRMT1相互作用

(图源:Li Q, et al., Cell Metab , 2023)


Western blotting检测PRMT1的表达水平以及PRMT1泛素化,结果表明TK1过表达后PRMT1蛋白表达增加、PRMT1泛素化降低;TK1以蛋白酶体介导的方式调节PRMT1的稳定性(图6 A-G)。考虑到TK1不能直接影响蛋白泛素化,结合文献发现TRIM48通过RING结构域与PRMT1甲基转移酶结构域相互作用,调控PRMT1的泛素化和降解,因此研究人员通过免疫沉淀和Western blotting检测细胞中TRIM48和PRMT1的相互作用以及PRMT1的泛素化,表明TK1通过中断TRIM48介导的泛素化和PRMT1的降解来稳定PRMT1(图6 H-I)。

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图6 TK1通过中断TRIM48介导的PRMT1泛素化降解来稳定PRMT1

(图源:Li Q, et al., Cell Metab , 2023)


6

与HCC进展和预后高度相关的候选基因的鉴定

为了检验研究发现的临床相关性,研究人员发现TK1的表达水平与PRMT1的表达水平密切相关(图7 A-B),并且发现TK1/PRMT1轴在HCC的进展中起着关键作用(图7 C-E)。除此之外,TK1和PRMT1表达水平升高可能识别预后不良的HCC患者。随后,研究人员利用小鼠肝癌模型探究TK1敲除对HCC的治疗潜力。通过比较大体外观、肿瘤数量和最大肿瘤直径及存活率验证了TK1敲低导致较轻的肝脏病变(图7 H-K)。进一步使用小鼠模型(AAV8-sh-TK1、AAV8-sh-control、AAV8-TK1-WT、AAV8TK1-MUT#1组)、葡萄糖和乳酸水平测定研究TK1调控的核苷酸合成在HCC中的潜在作用,结果表明,TK1可能以激酶依赖和非依赖的方式促进HCC的进展(图7 L-M)。

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图7 TK1和PRMT1水平在HCC患者中具有临床相关性

(图源:Li Q, et al., Cell Metab , 2023)


小 结

综上所述,该研究表明,在临床和多种小鼠模型中,TK1不仅通过其酶活性和dTMP的产生促进肝癌的致癌表型,而且通过与PRMT1结合促进糖酵解。从机制上讲,TK1直接结合PRMT1,并通过中断其与TRIM48的相互作用来稳定PRMT1,从而抑制其泛素化介导的降解。随后,作者在化学诱导的HCC小鼠模型中验证了肝脏TK1下调的治疗能力。因此,同时靶向TK1的酶依赖和非依赖的分子机制可能有助于发展不同的HCC治疗策略。

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图8 机理模式图

(图源:Li Q, et al., Cell Metab , 2023)

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拜谱小结

该研究首先利用大规模转录组数据库和生存相关性筛选,锁定TK1,之后利用非靶代谢、蛋白质组学等多组学联合分析深入探究TK1的功能;利用功能验证及互作蛋白组等实验挖掘下游靶点及对促进HCC肿瘤发生的分子机制进行研究,这与拜谱生物全新推出机制研究的一站式解决方案不谋而合。

拜谱生物全新推出靶标发现与验证一站式服务,赋能机制研究,助力科学研究的深与精。具体服务内容包括:1)多组学检测服务:蛋白组、修饰蛋白组、转录组、表观组等;2)功能验证服务:模型构建,敲除/敲低、过表达等;3)机制挖掘服务:互作蛋白组(IP+MS)、互作蛋白验证(CoIP、pull down、互作位点验证)等。

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参考文献:Li Q, Zhang L, Yang Q, et al. Thymidine kinase 1 drives hepatocellular carcinoma in enzyme-dependent and -independent manners [published online ahead of print, 2023 Apr 12]. Cell Metab. 2023;S1550-4131(23)00095-5. doi:10.1016/j.cmet.2023.03.017.


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