NRF2蛋白O-GlcNAc糖基化修饰在细胞氧化还原平衡中的功能及调控机制研究

O-GlcNAc is an O-linked β-N-acetylglucosamine moiety attached to the side chain hydroxyl of a serine or threonine residue, which is found on numerous cytoplasm and nucleus proteins. O-GlcNAcylation is different from the classic glycosylation but similar to phosphorylation, which plays important roles in various physiological and pathological processes. Recent studies have shown that O-GlcNAcylation is not only a cellular metabolic sensor, but also involved in the regulation of cellular redox balance. However, the exact role and molecular mechanism of O-GlcNAc as a potential cellular oxidative stress sensor remains to be elucidated. Our previous study found that NRF2, a key transcription factor that regulates cellular redox homeostasis, is O-GlcNAcylated and identified its modification sites. Further studies showed that O-GlcNAcylation can enhance the stability and transcriptional activity of NRF2. This proposal will elucidate the regulatory effect of O-GlcNAc on NRF2, and reveal the roles and mechanisms of O-GlcNAcylation in NRF2-mediated cellular anti-oxidative activity. This research will provide new ideas for the treatment of diseases related to oxidative stress such as cancer, diabetes, neurodegenerative diseases and chronic inflammation.

O-GlcNAc是一种广泛存在于细胞浆和细胞核蛋白质丝/苏氨酸上的动态、可逆的翻译后修饰，与传统的糖基化不同而类似于磷酸化，在生命过程中发挥重要作用。近年来的研究表明，O-GlcNAc修饰参与了细胞氧化还原平衡的调控，然而其作为细胞氧化应激感应器的确切作用和分子机制还有待阐明。我们前期研究发现，调控细胞氧化还原内稳态的关键转录因子NRF2被O-GlcNAc修饰并确定了其修饰位点；进一步研究发现O-GlcNAc修饰能增强NRF2的稳定性和转录活性。该项目将深入阐明O-GlcNAc修饰对NRF2的调控作用及机制，并揭示O-GlcNAc修饰调控NRF2介导的细胞抗氧化作用和分子机制。该研究将为肿瘤、糖尿病、神经退行性疾病和慢性炎症等氧化应激相关疾病的预防和治疗提供新思路。

NRF2是细胞内一系列抗氧化和细胞保护基因的一个主要调节因子，被认为与肺癌患者的药物耐药及不良预后密切相关。O-GlcNAc修饰作为一种常见的蛋白质翻译后修饰，调节了众多关键的细胞生命活动。研究发现作为胞内“营养传感器”的O-GlcNAc修饰与氧化应激密切相关，但其机制并不清楚，因此本项目通过研究NRF2的O-GlcNAc修饰来阐明两者之间的关系。我们发现增加细胞内O-GlcNAc修饰增加NRF2的蛋白稳定性，进一步实验发现O-GlcNAc修饰的增加通过抑制NRF2与KEAP1的相互作用以及NRF2的泛素化蛋白酶体降解。随后我们证明NRF2与OGT相互作用，且NRF2具有O-GlcNAc修饰，S103为主要的修饰位点，该位点的修饰可以抑制NRF2与KEPA1的互作增加其蛋白稳定性。进一步实验发现氧化应激可通过增加OGT T444位点的磷酸化，进而促进OGT与NRF2的相互作用，增加NRF2的O-GlcNAc修饰水平，促进NRF2的抗氧化和细胞保护功能。为了研究NRF2的O-GlcNAc修饰在肿瘤发展及耐药中的作用，我们利用Crispr/Cas9技术构建了NRF2的S103A突变细胞株。体内体外的肿瘤相关表型实验结果显示，NRF2 S103位突变后肿瘤细胞恶性表型减弱。在顺铂刺激后，NRF2 S103位突变细胞比野生型细胞具有更高的药物敏感性。在肺癌病人组织中，我们也发现总O-GlcNAc修饰、NRF2蛋白水平及其O-GlcNAc修饰水平均显著上调。以上结果提示，NRF2 S103位点的O-GlcNAc修饰对肿瘤的发展以及耐药具有重要作用。因此，本项目揭示NRF2的O-GlcNAc 修饰在肿瘤的发展以及治疗中具有重要的临床意义，表明NRF2的O-GlcNAc修饰水平的调节可能是肿瘤治疗中的一个新的潜在靶点。