延胡索酸水合酶介导基因转录调控机制及其在胰腺癌发生中的作用研究

During pancreatic tumorigenesis, the mechanism for cells surviving from limited nutrient microenvironment is not clear. Fumarate hydratase (FH) is a critical cancer suppressor gene, and its inactive mutations are frequently detected in multiple tumors. The previous report shows, as a metabolic enzyme, FH mediates Histone methylation through its metabolic product fumarate. As Histone methylation involving in transcriptional regulation, whether FH could mediate gene transcription through affecting Histone methylation remains unknown. Activating transcription factor 2 (ATF2) play an important role in the process of cancer cell apoptosis. In our preliminary studies, we found under glucose deprivation condition, AMPK phosphorylated FH and promoted the interaction between FH and ATF2. Then, FH was recruited at the promoter region of ATF2 targeted genes and further affected local Histone methylation （H3K36Me2） level. Moreover, this pathway was inactivated in pancreatic duct cancer cells through protein O-glycosylation, which could be reversed by O-glycosylation enzyme OGT (β-N-acetylg-lucosaminyl transferase) knockdown. Collectively, in this project, we expect to prove the AMPK-FH-ATF2-H3 signaling pathway may transcriptional regulate ATF2 targeted genes and contribute to the determination of cell fate by nutrient microenvironment through local regulation of H3 methylation, and the negative regulation of this pathway by FH glycosylation may play a key role for pancreatic cancer cells surviving from limited nutrient microenvironment and pancreatic tumorigenesis.

胰腺癌发展中，细胞如何耐受营养缺失微环境的分子机制并不清楚。延胡索酸水合酶（FH）是重要抑癌基因，在多种肿瘤中存在功能缺失突变。已报导FH可区域调节组蛋白甲基化，而FH能否因此介导基因转录调控仍不明了。转录因子ATF2介导的信号通路在细胞凋亡过程中有重要作用。我们前期研究表明：胰腺导管细胞外环境葡萄糖缺失可通过代谢应激激酶AMPK促进FH与ATF2结合，并将FH招募到ATF2下游基因启动子区域进而影响区域组蛋白甲基化。而胰腺导管癌细胞中O-糖基化转移酶（OGT）可抑制葡萄糖缺失诱导的FH与ATF2结合。本课题旨在证明AMPK-FH-ATF2-H3信号通路通过FH在ATF2下游基因启动子区域的局部代谢功能影响组蛋白甲基化并调控ATF2下游基因转录从而介导营养微环境对细胞存活的调控；胰腺癌细胞可能通过O-糖基化FH抑制这一信号通路从而耐受营养缺失微环境，促进胰腺癌的发生发展。

当营养物质匮乏时，细胞需要改变其代谢状态（代谢重编程），提高产能效率，同时会关闭一些需要大量消耗能量的生命活动，比如生长增殖等。在营养物质匮乏时，代谢酶促反应与细胞生长增殖等基本生命活动的调控关系及其机制还不是很清楚。延胡索酸水合酶Fumarase（FH）在能量代谢中是参与线粒体三羧酸循环的一个关键酶，在细胞内催化延胡索酸（fumarate）和L-苹果酸（malate）转化的可逆反应。我们发现延胡索酸水合酶FH催化的代谢反应除直接在线粒体产能代谢中发挥重要作用外，还具有调控细胞生长增殖的新功能。我们的工作阐明在葡萄糖缺失条件下，细胞中激活的AMPK磷酸化FH促进FH与调控细胞增殖的转录因子ATF2相结合。激活的ATF2会将FH招募到其下游基因的启动子区域，而FH 在启动子区域局部代谢反应产生的延胡索酸（fumarate）能抑制去甲基化酶KDM2A的活性，上调ATF2结合启动子区域组蛋白甲基化特别是H3K36me2的水平，促进ATF2下游基因的表达，抑制细胞生长增殖。此外，我们还发现FH也能够被O-GlcNAc 糖基化，该糖基化修饰能够阻滞FH与ATF2的相互作用及下游信号通路，而胰腺导管癌肿瘤细胞正是利用这一机制维持其在营养匮乏微环境中生长增殖。这项工作发现了三羧酸循环中由延胡索酸水合酶所催化的酶促反应可直接参与代谢微环境对细胞生长增殖等基本生命活动的调控，阐明了细胞代谢和基因表达的相互调控在细胞适应其代谢微环境中的作用，并进一步阐明了这一机制的紊乱在胰腺肿瘤发生中的作用。. 这项研究主要由负责人主持的国自然青年基金（延胡索酸水合酶FH介导基因转录调控机制及其在胰腺癌发生中的作用研究81602042）支持，成果以申请人为共通讯作者(排名第一)以Article发表在国际知名期刊Nature Cell Biology。被国外同行在Nature Reviews，Nature Cell Biology等期刊上发表的本领域重量级综述中引用和评价。