糖代谢重编程诱导的XRCC1乳酸化在ALDH1A3过表达的胶质母细胞瘤中造成治疗抵抗
背景介绍
胶质母细胞瘤（GBM）是一种成人中最常见和侵袭性最强的恶性原发性脑肿瘤，其具有较高的复发率和致死率。尽管在手术后进行积极的化疗和放疗，GBM仍然对现有的治疗方案不敏感，患者的预后通常很差。近年研究表明，胶质母细胞干细胞（GSCs）的存在显著增加了肿瘤的治疗耐药性和复发几率。针对这些细胞的特异性标志物的缺乏限制了靶向治疗的开发。因此，研究GBM代谢重编程所引发的治疗耐药机制并开发相关的靶向疗法，预计将提高肿瘤对化疗和放疗的敏感性，从而延长患者的生存期。
研究来源
本文的研究由Guanzhang Li等人领导，作者所属单位包括北京天坛医院、首都医科大学北京神经外科研究所、Otto von Guericke Universit？t Magdeburg等。该论文于2024年8月6日发表在《Cell Metabolism》期刊上。
研究详细流程
1. 研究目标与设计
研究首先通过免疫荧光染色将GBM患者分为高和低ALDH1A3表达组，结果发现高表达组患者在术后放化疗中受益较少。这些患者没有显示出其它临床病理学预后因素上的显著差异。进一步，在患者来源的GSCs中通过CRISPR-Cas9基因编辑构建ALDH1A3敲除和回复细胞系，结果表明敲除ALDH1A3后，细胞对TMZ和放疗的敏感性增加，而回复组细胞则重新获得了耐药性。
2. RNA测序与代谢组学分析
为探究ALDH1A3过表达驱动的治疗耐药机制，研究者对ALDH1A3编辑的GSCs进行了RNA测序和非目标代谢组学分析。结果显示，ALDH1A3编辑后的GSCs在代谢过程中和代谢物上发生了显著变化。研究发现，ALDH1A3的表达或重新表达导致L-乳酸和糖酵解代谢的增加，而糖酵解途径相关基因的表达变化不明显。
3. ALDH1A3与PKM2的相互作用
使用免疫共沉淀和质谱分析，研究者发现ALDH1A3与PKM2 之间存在蛋白质相互作用。进一步验证显示，ALDH1A3物理上与GSCs中的PKM2结合。细胞外谷胱甘肽S-转移酶拉下实验进一步证实了ALDH1A3和PKM2之间的直接蛋白质-蛋白质相互作用。
4. 乳酸引发的XRCC1 lactylation
通过蛋白质组学分析发现，ALDH1A3敲除导致GSCs中乳酸蛋白修饰的总水平显著改变。通过质谱分析确定了XRCC1的四个赖氨酸位点被乳酸化。进一步分析显示，XRCC1的K247位点乳酸化改变了其表面电荷，从而增强了XRCC1与核蛋白进口蛋白α的亲和力，最终大大增加了DNA修复活性，这使得这些细胞对放疗和化疗的抵抗力增强。
5. 小分子化合物D34-919的筛选与作用
基于体外与体内化合物筛选，研究者发现D34-919能够有效阻断ALDH1A3与PKM2之间的蛋白质相互作用，并显著抑制PKM2在靶细胞中的四聚体化，同样有效阻止由于ALDH1A3过表达引起的化疗和放疗耐药性。
6. 体内动物实验验证
在小鼠的体内动物实验中，三种治疗组合（D34-919与TMZ、D34-919与放疗以及三者联用）均显示出显著的肿瘤抑制效果，并显著延长了小鼠的总体生存时间。无独立治疗组的肿瘤几乎完全被消除。此外，D34-919联合治疗并未导致体重减轻或重要器官损伤。
研究结果
总的来说，该研究揭示了ALDH1A3通过与PKM2相互作用来促进其四聚体化，从而导致GSCs中乳酸积累。进一步通过乳酸化修饰XRCC1提高DNA修复能力，最终引起对化疗和放疗的耐药性。通过筛选小分子化合物D34-919，该研究成功阻断了这种相互作用，显著增强了化疗和放疗对高表达ALDH1A3的GBM细胞的敏感性。
研究意义与应用价值
该研究首次揭示了ALDH1A3通过PKM2四聚体化和XRCC1乳酸化的特异性机制，阐明了GBM的代谢重编程与治疗耐药性之间的直接联系。小分子化合物D34-919作为一个新的化疗和放疗增敏剂，为高表达ALDH1A3的GBM患者提供了新的治疗选择。
研究亮点与创新点
- 发现新的代谢机制：首次揭示了ALDH1A3通过与PKM2相互作用引发GSCs中的乳酸积累，并通过乳酸化修饰XRCC1增强其DNA修复能力。
- 小分子化合物D34-919：通过筛选获得的小分子化合物D34-919有效干扰ALDH1A3与PKM2的相互作用，显著提高了高表达ALDH1A3的GBM细胞对化疗和放疗的敏感性。
- 临床意义：该研究为高表达ALDH1A3的GBM患者提供了新的治疗思路和潜在药物。
结论
该研究深入揭示了GBM代谢重编程与化疗和放疗耐药性的分子机制，提供了新的治疗策略，并为未来的临床研究奠定了坚实的基础。