糖代謝再プログラミングによるXRCC1のラクト化がALDH1A3過剰発現膠芽腫に治療抵抗性を付与

2024-08-13 Tue
背景紹介グリオブラストーマ（GBM）は成人において最も一般的で侵襲性の強い悪性原発性脳腫瘍であり、高い再発率と致死率を有します。手術後に積極的な化学療法と放射線治療を行っても、GBMは既存の治療法に対して感受性が低く、患者の予後は通常非常に悪いです。近年の研究では、グリオブラストーマ幹細胞（GSCs）の存在が腫瘍の治療耐性と再発率を著しく増加させることが示されました。これらの細胞の特異的なマーカーの欠如が、標的治療の開発を制限しています。そのため、GBMの代謝再プログラミングに起因する治療耐性のメカニズムを研究し、関連する標的療法を開発することにより、化学療法と放射線治療への感受性を高め、患者の生存期間を延ばすことが期待されています。
研究の出所本研究はGuanzhang Liらによって主導され、著者所属機関には北京天壇病院、首都医科大学北京神経外科研究所、オットーフォンゲーリケ大学マクデブルグなどが含まれています。論文は2024年8月6日に「Cell Metabolism」誌に掲載されました。
研究詳細プロセス1. 研究の目的とデザイン研究はまず免疫蛍光染色を用いてGBM患者を高ALDH1A3発現群と低発現群に分類し、その結果、高発現群の患者は術後の放射線化学療法からの利益が少ないことが判明しました。これらの患者は他の臨床病理学的予後因子に顕著な差異を示しませんでした。さらに、患者由来のGSCsにおいて、CRISPR-Cas9遺伝子編集を利用し、ALDH1A3ノックアウトおよび復帰細胞株を構築しました。結果、ALDH1A3をノックアウトした後、細胞はTMZと放射線治療に対する感受性が増加し、復帰群の細胞は耐性を再び獲得しました。
2. RNAシークエンシングとメタボローム解析ALDH1A3過剰発現が駆動する治療耐性メカニズムを探るため、研究者はALDH1A3編集されたGSCsに対してRNAシークエンシングと無目的代謝組成解析を実施しました。結果は、ALDH1A3編集されたGSCsにおいて、代謝プロセスと代謝物に顕著な変化が生じたことを示しています。研究では、ALDH1A3の発現または再発現がL-乳酸と解糖代謝の増加を引き起こし、一方で解糖経路関連遺伝子の発現変化は顕著ではないことが分かりました。
3. ALDH1A3とPKM2の相互作用免疫沈降と質量分析を使用して、研究者はALDH1A3とPKM2の間にタンパク質相互作用があることを発見しました。さらに検証により、ALDH1A3がGSCs内のPKM2と物理的に結合することが示されました。細胞外グルタチオンS-トランスフェラーゼプルダウン実験により、ALDH1A3とPKM2の間の直接的なタンパク質相互作用も確認されました。
4. 乳酸によるXRCC1の乳酸化プロテオミクス解析を通じて、ALDH1A3ノックアウトがGSCsの総乳酸タンパク質修飾レベルに顕著な変化を引き起こすことが発見されました。質量分析を用いて、XRCC1の4つのリジン部位が乳酸化されていることが確認されました。さらなる分析により、XRCC1のK247部位の乳酸化がその表面電荷を変化させ、核内タンパク質輸送タンパク質αとの親和性を増強し、この結果DNA修復活性を大幅に増加させ、これらの細胞が放射線治療と化学療法に抵抗力を持つようになることが示されました。
5. 小分子化合物D34-919のスクリーニングと作用in vitroおよびin vivoにおける化合物スクリーニングに基づき、研究者はD34-919がALDH1A3とPKM2間のタンパク質相互作用を効果的に遮断し、標的細胞におけるPKM2の四量体化を顕著に抑制し、同様にALDH1A3過剰発現による化学療法および放射線治療耐性を効果的に阻止することを発見しました。
6. 体内動物実験による検証マウスを用いた体内動物実験において、3つの治療組み合わせ（D34-919とTMZ、D34-919と放射線治療、三者併用）はすべて顕著な腫瘍抑制効果を示し、マウスの全生存期間を著しく延ばしました。独立した治療がない群の腫瘍はほぼ完全に消失しました。さらに、D34-919併用療法は体重減少や重要臓器の損傷を引き起こしませんでした。
研究結果全体として、この研究はALDH1A3がPKM2との相互作用を介してその四量体化を促進し、GSCs内で乳酸の蓄積を引き起こすことを明らかにしました。さらに、乳酸化によるXRCC1の修飾を通じてDNA修復能力を高め、最終的には化療と放療に対する耐性を引き起こします。小分子化合物D34-919をスクリーニングすることにより、この相互作用を成功裏に遮断し、高ALDH1A3発現GBM細胞に対する化学療法と放射線療法の感受性を著しく増強しました。
研究の意義と応用価値この研究は、ALDH1A3がPKM2四量体化とXRCC1乳酸化を通じて特異的メカニズムを介し、GBMの代謝再プログラミングと治療耐性の直接的な関連を初めて示しました。小分子化合物D34-919は新しい化学療法および放射線療法の増感剤として、高ALDH1A3発現GBM患者に新たな治療選択肢を提供します。
研究のハイライトと革新点新しい代謝メカニズムの発見：ALDH1A3がPKM2との相互作用を介してGSCs内で乳酸の蓄積を引き起こし、乳酸化によるXRCC1のDNA修復能力を強化することを初めて示しました。
小分子化合物D34-919：スクリーニングによって得られた小分子化合物D34-919は、ALDH1A3とPKM2の相互作用を効果的に阻害し、高ALDH1A3発現GBM細胞の化療および放療の感受性を著しく向上させました。
臨床意義：この研究は、高ALDH1A3発現GBM患者に新たな治療アプローチと潜在的な薬物を提供します。
結論この研究は、GBMの代謝再プログラミングと化療および放療耐性の分子メカニズムを深く解明し、新たな治療戦略を提供し、将来の臨床研究のための堅固な基盤を築きました。