TREX2

已知葡萄糖代谢与肿瘤的发生有关。葡萄糖是否作为一个信号分子直接调节肿瘤发生的癌蛋白活性仍然是一个谜。2023年8月15日，维克森林大学林慧观团队（陈庭金为第一作者）在Cell Metabolism在线发表题为“NSUN2 is a glucose sensor suppressing cGAS/STING to maintain tumorigenesis and immunotherapy resistance”的研究论文，该研究表明葡萄糖是一个辅助因子结合到甲基转移酶NSUN2的氨基酸1-28，促进NSUN2的寡聚和激活。NSUN2激活维持全球m5 C RNA甲基化，包括TREX2，并稳定TREX2以限制胞内dsDNA积累和cGAS/STING激活，促进肿瘤发生和抗PD-L1免疫治疗耐药性。在葡萄糖结合缺陷或破坏葡萄糖/NSUN2相互作用的NSUN2突变体会消除NSUN2活性和TREX2诱导，导致cGAS/STING激活以抑制致癌。引人注目的是，基因缺失的葡萄糖/NSUN2/TREX2轴通过cGAS/ STING激活促进细胞凋亡和CD8+ T细胞浸润，抑制肿瘤发生，克服抗PD-L1免疫治疗耐药性。该研究发现NSUN2是一个直接的葡萄糖传感器，葡萄糖通过维持TREX2的表达来抑制cGAS/STING的失活，从而激活NSUN2，从而驱动肿瘤发生和免疫治疗抵抗。与正常细胞相比，癌症表现出高度不同的代谢状态。被称为Warburg效应的有氧糖酵解增强在大多数癌症类型中被观察到，并与癌症干细胞维持、癌症进展和转移以及耐药性有关。葡萄糖是糖酵解的关键营养物质，与正常细胞相比，癌细胞对葡萄糖的摄取增加，部分原因是癌细胞中葡萄糖转运蛋白的表达增加。己糖激酶(HK)是一种限速酶，在糖酵解的第一步介导肿瘤发生糖酵解。不仅提供关键的能量来源，而且是癌细胞增殖和生存建立基础和氧化还原稳态，促进癌症的进展。除了通过糖酵解和三羧酸循环(TCA循环)促进癌症的生长和生存外，葡萄糖还通过乙酰辅酶A (CoA)的产生和组蛋白H3泛素化，推动全局组蛋白H3乙酰化，从而促进其致癌活性。这些研究确立了葡萄糖主要通过葡萄糖代谢维持其致癌活性这一公认的规则。然而，目前尚不清楚葡萄糖是否可以作为一种信号分子直接结合其蛋白靶点来维持独立于葡萄糖代谢的致癌过程。值得注意的是，早期的一项研究表明，葡萄糖可能会触发脂肪细胞中独立于葡萄糖代谢的有丝分裂原激活的蛋白激酶激活，这提高了葡萄糖可能通过其直接传感器来协调其致癌过程的可能性。机理模式图（图源自Cell Metabolism）该研究旨在确定葡萄糖的直接靶标，该靶标介导其致癌活性，用于肿瘤发生和免疫治疗耐药性。该研究提供了强有力的证据，证明葡萄糖可以作为直接结合并激活NSUN2的信号分子，维持m5 C RNA甲基化和TREX2 mRNA的稳定性，从而导致cGAS/STING抑制，关闭IFN反应，促进致癌过程和免疫治疗抵抗，从而为研究葡萄糖作为信号分子在调节多种生物过程中的新作用开辟了新的途径。该研究不仅为葡萄糖如何引发其致癌活性提供了新的见解，而且为靶向具有异常葡萄糖信号的癌症提供了新的范例和策略。文章来源“iNture”责编|文竞择校对|文竞择End往期精选围观历史性突破！不需卵子和精子就可以合成人类胚胎热文富豪用儿子血浆“回春”科学吗？Science：血液牛磺酸缺乏驱动衰老热文世界首例！35岁的她，通过机器人操刀移植的子宫，成功诞下宝宝热文为了避免心脏骤停，53岁的他成为“第一个”植入开创性除颤器的心脏病患者热文首次披露！175家生物制药公司的薪资数据：薪资中位数达20万美元点击“阅读原文”，了解更多~

综上所述，该研究显著推进和扩展了人们目前对葡萄糖如何独立于其代谢从而致癌机制的理解，葡萄糖作为直接结合并激活NSUN2以维持TREX2表达的信号分子 哈佛医学院张学宏教授等在《美国医学会杂志》（JAMA）发表的一项研究显示，在平均长达20.9年的随访中，与从不喝含糖饮料或每月喝少于3杯的人相比（每杯约355mL），每天喝1杯或更多含糖饮料的女性，罹患肝癌的风险高85%，患慢性肝病的死亡风险高68%；而普通软饮料和水果饮料与患肝癌之间没有显著差异。详情：JAMA：张学宏团队研究显示，每天一杯含糖饮料，肝癌风险大增 2023年8月15日，杜克大学医学院林慧观教授团队（陈庭金博士为第一作者）在 Cell Metabolism 期刊发表了题为：NSUN2 is a glucose sensor suppressing cGAS/STING to maintain tumorigenesis and immunotherapy resistance 的研究论文。 该研究旨在确定葡萄糖的直接靶标，介导其肿瘤发生和免疫治疗抵抗的致癌活性机制。该研究在肝癌等多种癌症模型中发现了葡萄糖独立于葡萄糖代谢的致癌机制，葡萄糖作为单一信号分子可直接结合并激活NSUN2，通过抑制cGAS/STING通路，诱导肿瘤发生和免疫治疗耐受。 研究团队首先合成生物素标记的葡萄糖，并通过质谱法从全细胞裂解液中筛选出与葡萄糖相互作用的潜在靶蛋白。他们选择NSUN2（一种有利于维持RNA稳定的RNA 5-甲基胞嘧啶（m5C）甲基转移酶）进行深入研究。因为近年来有研究发现NSUN2作为一种癌蛋白，促进不同靶点（如HGDF）RNA m5C甲基化修饰，并在许多人类癌症中过表达。该研究通过一系列实验证实，葡萄糖作为一种信号分子，直接与NSUN2在其氨基酸1-28处结合，导致NSUN2寡聚化和激活，以维持独立于葡萄糖代谢的m5C RNA甲基化。因此，NSUN2是一种直接的葡萄糖传感器，其甲基转移酶活性可以独立于其经典代谢而直接被葡萄糖激活。 基于上述发现，研究团队利用RNA-seq和RNA-IP等方法进一步证明，葡萄糖/NSUN2轴诱导核酸外切酶TREX2 mRNA的m5C甲基化修饰，并稳定TREX2 mRNA及蛋白水平的表达，从而维持癌细胞的增殖、存活、干性和肿瘤发生。重要的是，葡萄糖/NSUN2/TREX2轴作为抑制细胞质中双链DNA （dsDNA）积累的关键途径，激活cGAS/STING通路，从而促进致癌过程。因此，该研究表明TREX2是葡萄糖/NSUN2在阻止细胞质中dsDNA积累和cGAS/STING激活从而维持肿瘤发生机制中的关键下游效应物。 值得注意的是，通过TAT-N28合成肽或缺乏葡萄糖结合片段的NSUN2突变体破坏葡萄糖-NSUN2相互作用会降低NSUN2活性及后续的TREX2表达，从而导致cGAS/STING激活和肿瘤抑制，从而提供了一种不影响正常葡萄糖代谢的靶向癌症的潜在策略。因此，靶向NSUN2/TREX2轴为诱导cGAS/STING激活靶向癌症提供了一种非常有前景的策略。该研究确定了NSUN2作为葡萄糖的传感器，葡萄糖激活NSUN2并驱动TREX2表达以维持肿瘤发生，从而定义了NSUN2如何被营养物质激活的新见解。也可以理解成葡萄糖是NSUN2甲基转移酶激活的辅助因子。 近年来，以PD-1/PD-L1等免疫检查点抑制剂为代表的免疫治疗药物彻底改变了我们的癌症治疗方法。但是，抗PD-1/抗PD-L1免疫治疗耐药的机制尚不清楚。研究团队进一步发现，葡萄糖/NSUN2/TREX2轴通过抑制cGAS/STING通路、细胞凋亡和CD8+ T细胞浸润，在免疫功能完整的同系肿瘤小鼠模型中驱动肿瘤发生和热肿瘤对抗PD-L1免疫治疗形成耐药的关键机制。值得注意的是，基因靶向葡萄糖/NSUN2/TREX2轴通过促进cGAS/STING通路、细胞凋亡和CD8+ T细胞浸润，减少肿瘤发生，克服这些冷肿瘤对抗PD-L1免疫治疗的耐药性。因此，该研究提供了基础性证据，证明靶向葡萄糖/NSUN2/TREX2轴是一种非常有前景的靶向癌症策略，可以克服冷肿瘤的抗PD-1/抗PD-L1免疫治疗耐药性，从而为将前列腺癌等冷肿瘤转化为热肿瘤并对抗PD-1/PD-L1免疫治疗产生应答提供了前提。 综上所述，该研究显著推进和扩展了人们目前对葡萄糖如何独立于其代谢从而致癌机制的理解，葡萄糖作为直接结合并激活NSUN2以维持TREX2表达的信号分子，抑制cGAS/STING通路、促进致癌过程和免疫治疗抵抗。该研究为靶向肿瘤和免疫治疗耐药提供了新的范式和策略（通过靶向葡萄糖/NSUN2/TREX2轴）。

这一结果意味着，靶向葡萄糖/NSUN2/TREX2轴的药物，或许可以抑制癌症的发生，或者消除癌细胞对免疫检查点抑制剂的耐药性。 美国杜克大学医学院林慧观团队，在著名期刊《细胞·代谢》上发表了一篇令人震惊的研究论文[1]。 他们的研究发现，葡萄糖竟然是一个致癌的信号分子。具体来说，癌细胞在感受到葡萄糖存在时，会主动清除细胞内的游离双链DNA，导致监视细胞癌变的STING信号通路无法被激活，进而促进癌症的发生和发展，甚至促进癌细胞对免疫检查点抑制剂耐药。 要知道，在今天之前，科学家都认为葡萄糖是通过参与各种代谢途径诱发癌症。林慧观团队的这个研究告诉我们，原来葡萄糖本身不经过代谢也是可以直接促癌的，而且它自身就是诱发癌症的信号分子。难怪糖摄入与那么多癌症的发生有关。 这一发现无疑改写了我们对糖促癌的认知，更重要的是，有望诞生新的抗癌疗法。杜克大学医学院陈庭金是论文的第一作者。 论文首页截图 过度消费糖或者高血糖会促进癌症的发生和发展，已经人尽皆知了。 就在几天前，哈佛大学医学院张学宏团队，在顶级医学期刊JAMA上发文称：每天饮用355毫升及以上含糖饮料的绝经女性，患肝癌风险增加85%[2]。 至于糖促癌的分子机制，学界普遍认为，葡萄糖通过糖酵解和三羧酸循环（TCA循环）等代谢路径促进癌症的发生发展[3]。至于葡萄糖本身是不是可以作为一种信号分子，直接与促进癌症发生发展的蛋白相互作用，进而促进癌症的发生，目前仍无人知晓。 林慧观团队决定用生物素标记的葡萄糖，从人胚胎肾细胞293（HEK293）的裂解液中，钓出能与葡萄糖相互作用的蛋白质。 一个名为NSUN2的RNA 5-甲基胞嘧啶（m5C）甲基转移酶进入了他们的视线。因为就在三年前，有个研究团队在《细胞》上发文称，具有稳定RNA作用的NSUN2可能是个促癌蛋白，而且在多种癌症中高表达[4]。 NSUN2可能就是那个宝。 筛选过程 通过一些列的体外实验，林慧观团队证实，葡萄糖确实可以与NSUN2结合，而且负责结合的是前面的1-28号氨基酸。 后续的研究发现，葡萄糖与NSUN2结合之后，会促进NSUN2的寡聚化和激活，而葡萄糖的各种代谢产物则没有这种功能。 体外实验还发现，当剥夺癌细胞系的葡萄糖之后，癌细胞中RNA的m5C甲基化水平会系统性降低，只要给予生理水平（5.5mM）的葡萄糖，RNA的m5C甲基化水平就会恢复。而且，葡萄糖的这种作用依赖于NSUN2的存在。 以上研究结果表明，葡萄糖与NSUN2结合之后，会促进NSUN2的寡聚化，激活其甲基转移酶活性，而且这一过程与葡萄糖的代谢无关，完全依赖于葡萄糖自身。 更重要的是，葡萄糖对NSUN2活性的影响，真的影响到了癌细胞。只要不给癌细胞供应葡萄糖，就会导致癌细胞的NSUN2活性下降，进而损害各种癌细胞的干性，而投喂葡萄糖就可挽救这一损害。与葡萄糖剥夺类似，单独敲除编码NSUN2的基因，也会损害癌细胞的存活、增殖和干性。 显然，葡萄糖确实可以作为一种信号分子，在被NSUN2识别之后，调控癌症的发生发展。 至于背后的分子机制，林慧观团队也做了深入地探索。 他们发现，葡萄糖在激活NSUN2后，会导致100多个基因的RNA发生m5C甲基化修饰。其中最关键的一个是核酸外切酶TREX2的编码基因，因为它是所有基因里面唯一一个m5C甲基化水平依赖于葡萄糖浓度的基因。简单来说，葡萄糖浓度升高，会促进TREX2的表达，提高细胞内TREX2浓度。 TREX2作为一种核酸外切酶，是有降解单链DNA（ssDNA）和双链DNA（dsDNA）能力的[5]，这一下子就让他们想到了通过dsDNA监视癌细胞的STING通路。 如果葡萄糖通过激活感受器NSUN2，降低了癌细胞内游离dsDNA水平的话，那么癌细胞中的先天免疫反应通路STING就会失灵了。这就意味着，癌细胞出现了，免疫系统却不知道。 林慧观团队的研究结果证实了上述猜想，癌细胞中葡萄糖/NSUN2/TREX2轴的激活，会抑制细胞质中dsDNA的积累，进而抑制了STING通路的激活，阻碍了抗癌T细胞的活化和浸润，最终促进了癌症的发生和发展。 机制示意图 在研究的最后，林慧观团队探索了靶向葡萄糖/NSUN2/TREX2轴的治疗效果。 他们敲除了不响应PD-L1抑制剂的乳腺癌细胞系（4T1）和前列腺癌细胞系（TRAMP-C2）中编码NSUN2或TREX2的基因，结果表明，无论是NSUN2的编码基因缺失，还是TREX2的编码基因缺失，都可以激活STING通路，减少肿瘤发生，并克服这些细胞系对PD-L1抑制剂的耐药性。 这一结果意味着，靶向葡萄糖/NSUN2/TREX2轴的药物，或许可以抑制癌症的发生，或者消除癌细胞对免疫检查点抑制剂的耐药性。 总的来说，林慧观团队认为，他们发现的葡萄糖是一种促癌信号分子，是一个全新的发现，让我们对糖促癌有了更全面的认知。更重要的是，他们这个研究揭示了背后的分子机制，发现了治疗靶点，有望为癌症的预防以及克服癌细胞对免疫治疗的耐药性等，提供新的思路。 参考文献： [1].Chen et al., NSUN2 is a glucose sensor suppressing cGAS/STING to maintain tumorigenesis and immunotherapy resistance, Cell Metabolism. 2023. doi: 10.1016/j.cmet.2023.07.009 [2].Zhao L, Zhang X, Coday M, et al. Sugar-Sweetened and Artificially Sweetened Beverages and Risk of Liver Cancer and Chronic Liver Disease Mortality. JAMA. 2023;330(6):537-546. doi:10.1001/jama.2023.12618 [3].Lee AS. Glucose-regulated proteins in cancer: molecular mechanisms and therapeutic potential. Nat Rev Cancer. 2014;14(4):263-276. doi:10.1038/nrc3701 [4].Chellamuthu A, Gray SG. The RNA Methyltransferase NSUN2 and Its Potential Roles in Cancer. Cells. 2020;9(8):1758. doi:10.3390/cells9081758 [5].Hemphill WO, Perrino FW. Measuring TREX1 and TREX2 exonuclease activities. Methods Enzymol. 2019;625:109-133. doi:10.1016/bs.mie.2019.05.004