胶质母细胞瘤（GBM）具有广泛的肿瘤内和微环境异质性，而GBM干细胞（GSCs）则对治疗抵抗性、肿瘤浸润、自我更新和分化起到贡献作用【1】。GBM显示出免疫抑制的微环境，抑制了免疫细胞的浸润、激活和功能，也限制了GBM免疫疗法的疗效【2】。近些年的研究揭示了GBM和其他肿瘤中,代谢可以重塑表观遗传调控,影响肿瘤微环境。氨基酸代谢调节其他癌症中T细胞的激活和功能，限制或补充关键氨基酸的膳食干预可以在小鼠体内限制肿瘤生长【3,4】。赖氨酸代谢可以产生生物活性中间代谢产物，其中包括巴豆酰辅酶A。巴豆酰辅酶A作为酰基转移酶催化的组蛋白巴豆酰化（Kcr）的前体，可通过重塑染色质环境影响基因表达。尽管赖氨酸是一种必需氨基酸，赖氨酸限制饮食已作为多种先天代谢疾病的辅助疗法，包括戊二酸血症I型（GA I）和依赖吡哆醇的癫痫（PDE）【5,6】。
2023年5月17日，匹兹堡大学医学中心Jeremy N. Rich、天普大学Nathaniel W. Snyder及芝加哥大学赵英明组合作在Nature上发表题为 Lysine catabolism reprograms tumour immunity through histone crotonylation 的研究论文。
该研究发现，与匹配的分化型脑胶质母细胞瘤细胞（DGCs）相比，GSCs富集了与赖氨酸、叶酸、嘧啶、嘌呤、精氨酸代谢相关的通路。相对于非肿瘤脑组织或其他GBM亚型，经典型GBM中的赖氨酸分解活性增加，并且与患者生存率呈负相关。他们结合分析mRNA测序及质谱结果发现，相比于非恶性的DGCs和神经干细胞（NSCs），赖氨酸在GSCs中显著升高，且依赖于赖氨酸转运膜蛋白SLC7A2的特异性表达。SLC7A2敲除可以显著抑制GSCs赖氨酸含量及肿瘤生长。与正常大脑皮层组织相比，GBM样本中GCDH（戊二酰辅酶A脱氢酶）表达和赖氨酸代谢活性增加。进一步分析single-cell及bulk RNA-seq数据揭示GSCs相对于DGCs及NSCs显著上调GCDH表达及赖氨酸代谢通路。有趣的是，GBM样本及GSCs细胞中ECHS1（短链烯酰辅酶A水合酶）的表达显著下调，提示GSCs可能重编程赖氨酸代谢导致中间产物巴豆酰辅酶A积累。在哺乳动物细胞中，P300/CBP或MOF催化巴豆酰辅酶A形成组蛋白Kcr。ECHS1水解巴豆酰辅酶A，并负调组蛋白Kcr。他们比较了GSCs和DGCs中组蛋白Kcr、戊二酰化（Kglu）和乙酰化（Kac）水平，以及与赖氨酸代谢相关的酶。结果显示，GSCs中Kcr增强，伴随着细胞内巴豆酰辅酶A的增加，而戊二酰辅酶A和短链脂肪酸（SCFA）的水平没有显著变化。因此，GSCs通过增强GCDH和减少ECHS1的表达来重编程赖氨酸代谢，促进组蛋白Kcr和肿瘤生长。代谢组、赖氨酸示踪、蛋白组及生物学功能实验均证明GSCs增强赖氨酸分解代谢，产生巴豆酰辅酶A促进组蛋白H4 Kcr修饰。RNA-seq结合信号通路富集分析表明在GSCs中敲低GCDH或赖氨酸限制均可以显著激活IFN通路。与之相反，在DGCs中敲低ECHS1可以显著抑制IFN通路。GCDH通常定位线粒体，但部分GCDH定位于GSCs细胞核内。蛋白质谱结合体外酶活及生物学功能实验证明，核定位的GCDH可以与CBP相互作用促进组蛋白H4 Kcr修饰及细胞增殖。尽管CBP和P300主要催化H3 Kac修饰，但只有CBP过表达能优先增强H4上的Kcr。因此，与CBP结合的核定位GCDH对Kcr的调控至关重要。
作者接着通过体外酶活实验证实巴豆酰辅酶A可以竞争性影响CBP催化的组蛋白乙酰化。ChIP-seq及RNA-seq证明GSCs重编程赖氨酸代谢影响转座子元件（TEs）的表达。其中逆转座子是TEs的主要类别，包括基于长末端重复序列（LTR）的内源性逆转录病毒（ERVs）以及非LTR的长/短散布核元件（LINEs/SINEs）。TEs上通常富集有抑制性H3K9me3标记。GCDH缺失或赖氨酸限制导致重复DNA上H3K27ac的增强和H3K9me3的降低，促进其转录。因此，来源于赖氨酸分解代谢的组蛋白Kcr作为竞争性的表观修饰机制，调控染色质环境，影响了免疫原性TEs的形成。序列重复性的TEs易形成细胞质双链RNA和DNA，导致IFN激活，从而影响细胞本身的增值衰老，及调控抗肿瘤免疫反应【7】。与GCDH缺失引起的IFN信号活化及功能性CD8+ T细胞浸润一致，赖氨酸限制饮食可以增强抗PD-1疗法的疗效，抑制肿瘤生长并促进了IFNγ+ CD8+ T细胞的浸润。
综上所述，该研究揭示了GSCs通过上调赖氨酸转运蛋白SLC7A2和生成巴豆酰辅酶A的 GCDH，同时下调巴豆酰辅酶A水解酶ECHS1，导致细胞内巴豆酰辅酶A积累和组蛋白H4 Kcr修饰。在细胞核内，GCDH与CBP相互作用以促进组蛋白Kcr。组蛋白Kcr的缺失通过增强H3K27ac促进免疫原性的胞质双链RNA和双链DNA的产生，从而刺激RNA传感器MDA5和DNA传感器cGAS，增强I型干扰素信号，降低GSC的肿瘤发生能力并提高CD8+ T细胞浸润。赖氨酸限制饮食可以与MYC抑制剂或抗PD-1疗法协同作用，减缓肿瘤生长。
本文第一作者为匹兹堡大学医学中心袁怀瑞博士，通讯作者为Jeremy N. Rich教授。原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06061-0
制版人：十一
参考文献：1 Gimple, R. C., Yang, K., Halbert, M. E., Agnihotri, S. & Rich, J. N. Brain cancer stem cells: resilience through adaptive plasticity and hierarchical heterogeneity. Nat. Rev. Cancer 22, 497-514 (2022).
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6 Kava, M. P. et al. Beneficial outcome of early dietary lysine restriction as an adjunct to pyridoxine therapy in a child with pyridoxine dependant epilepsy due to Antiquitin deficiency. JIMD Rep 54, 9-15 (2020).
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