乙酰化修饰调控丝氨酸羟甲基转移酶2参与结直肠癌发生的机制研究

An amount of enzymes in one carbon metabolism pathway are deeply involved in tumorigenesis. Notably three enzymes, including serine hydroxymethyltransferase 2 (SHMT2), are significantly upregulated in colorectal cancer comparing with normal tissues. Moreover, high expression of SHMT2 is correlated with poor postoperative survival of patients. These data indicate SHMT2 plays a significant role in colorectal cancer carcinogenesis. However, the regulation mechanism of SHMT2 in colorectal cancer carcinogenesis remains unknown. Our preliminary data suggested that SHMT2 was highly acetylated in vivo under deacetylase inhibitors and SIRT3, a NAD+-dependent deacetylase, was the major deacetylase for SHMT2. Strikingly, acetylation inhibits the enzymatic activity of SHMT2 and promotes its protein degradation, which is significantly linked with the proliferation of colorectal cancer cells. In this study, we will illuminate the mechanism of acetylation regulation SHMT2 in colorectal cancer carcinogenesis. The biological function of SHMT2 enzymatic activity and its protein stability will be determined. Moreover, the metabolomics of one carbon metabolism pathway will be explored. We will combine the molecular mechanism with clinical data to elucidate the progression of SHMT2 in colorectal cancer carcinogenesis. Our study will reveal the acetylation regulation mechanism of SHMT2 in tumorigenesis, providing the potential drug targets for the diagnosis and treatment of colorectal cancer.

一碳单位代谢通路的许多代谢酶与肿瘤的发生、发展都有着密切关系。前期研究中发现，一碳单位通路中包括丝氨酸羟甲基转移酶2（SHMT2）在内的数个关键代谢酶，在结直肠癌中表达量都有显著的提高，且高表达SHMT2的结直肠癌患者的术后总体生存率显著下降。这些都提示SHMT2在结直肠癌的发生发展中起到很重要的作用，但具体的机制并不清楚。我们的初步数据表明在去乙酰化酶抑制剂处理下SHMT2高度乙酰化修饰，且SIRT3是其去乙酰化酶。SHMT2的乙酰化修饰既抑制酶活性，又促进蛋白的降解，并与结直肠癌细胞的增殖有紧密联系。本项目探索一碳单位通路代谢酶SHMT2的乙酰化修饰机制，采用细胞生物学、生物化学手段结合临床患者数据，揭示SHMT2的乙酰化修饰对其酶活、稳定性以及一碳单位下游代谢产物水平的影响，阐明SHMT2参与结直肠癌的分子机理和生物效应。本课题有望为结直肠癌的治疗和临床诊断提供潜在的药物靶点。

代谢重编程为细胞的快速增殖与生长提供原料，肿瘤细胞的标志之一。肿瘤细胞即使在氧气充足的情况下，也会选择大量摄取葡萄糖通过有氧糖酵解生成乳酸与ATP，称为瓦伯格效应。这些代谢通路的转变，伴随着细胞的恶性转化，背后的机制至今尚未完全阐明。在本基金的资助下研究者发现线粒体主要去乙酰化酶SIRT3在葡萄糖饥饿的情况下能直接结合一碳单位代谢通路中一个关键代谢酶-丝氨酸羟甲基转移酶2（SHMT2），并能去除SHMT2 K95的乙酰化修饰，稳定SHMT2的细胞内表达以及维持SHMT2的高活性。SHMT2主要负责细胞内丝氨酸和甘氨酸的相互转换。SHMT2 K95的乙酰化修饰促进了E3连接酶TRIM21的结合导致乙酰化的SHMT2通过K63多聚泛素依赖的大自噬途径降解。这种修饰也削弱了结直肠癌细胞的增殖速率和成瘤能力。在结直肠癌病人样本中，SIRT3和SHMT2协同高表达，相应地SHMT2 K95的乙酰化程度低。高表达SIRT3或SHMT2的结直肠癌病人术后总存活率低，预后差。此研究揭示了SIRT3-SHMT2调控轴在结直肠癌发生中发挥的作用，为开发靶向SIRT3-SHMT2调控轴治疗结直肠癌的靶向药物提供理论基础（2018 Nature Communications）。继续在本项目基金的资助下，我们发现去乙酰化酶SIRT2野生型GARS可以结合去乙酰化酶SIRT2，抑制其活性，维持了SIRT2的主要底物-tubulin的乙酰化。而GARCMT突变体显著降低了与SIRT2的结合，导致乙酰化微管蛋白的显著下降，这可能是导致CMT等神经病变的原因。进一步发现GARS中CMT2D突变改变其结构构象，使GARSCMT失去与SIRT2的结合，减少对SIRT2酶活的抑制，从而显著降低乙酰化-tubulin。进一步利用果蝇作为模式生物，敲低SIRT2能显著拯救GARSCMT运动方面的表型，并延长GARSCMT果蝇的寿命，而用SIRT2特异性抑制剂处理GARSCMT果蝇，也能拯救GARSCMT果蝇运动性能的缺陷和寿命。本研究提供了一种潜在的靶向SIRT2而拯救GARS突变导致腓骨肌萎缩症的方法, 为治疗遗传性外周神经疾病提供了新的可能性（2021 Aging Cell）。