一百多年前，著名生理學家Otto Warburg醫生與同事最早觀察到，腫瘤細胞有特殊的能量獲取方式。即使在氧氣充足的條件下，它們也更喜歡通過糖酵解途徑代謝葡萄糖，而不像正常細胞那樣選擇更有效率的線粒體氧化磷酸化。這一現象被稱為Warburg效應，Warburg醫生也因此獲得了1931年的諾貝爾生理學或醫學獎。由于這種特殊的代謝機制，腫瘤對葡萄糖的消耗速度很大，導致糖酵解的代謝產物——乳酸在腫瘤內大量積累，造就了酸性環境。此前曾有研究發現，乳酸是癌細胞的重要“幫兇”，通過促進特定蛋白的乳酸化，影響DNA損傷修復，幫助癌細胞躲避化療藥物。在一篇近日發表于權威學術期刊《自然》的研究論文中，中山大學附屬第七醫院（深圳）何裕隆教授、張常華教授團隊聯合中山大學孫逸仙紀念醫院、英國癌癥研究院合作發現，乳酸通過增強NBS1蛋白的乳酸化修飾，對于腫瘤的DNA損傷修復和化療耐藥起到了關鍵作用。基于這一發現，研究團隊找到了一款“老藥”司替戊醇（stiripentol），可以通過抑制乳酸的產生，逆轉腫瘤對化療藥物的抵抗，為癌癥治療提供了一種新策略。為了確認乳酸對于腫瘤抵抗化療的影響，研究團隊首先通過蛋白質組學和代謝組學分析了一組新輔助化療胃癌腫瘤組織樣本。相比對化療敏感的腫瘤，耐藥腫瘤組織中的乳酸水平顯著上升。而來自動物模型和類器官模型的實驗也進一步證實，乳酸會降低化療的抗腫瘤效果，促進荷瘤小鼠的化療耐藥。進一步分析發現，乳酸顯著增強了DNA同源重組修復（HRR）。腫瘤細胞在經受化療造成DNA損傷后，乳酸能快速修復受損的DNA，從而降低治療效果，導致耐藥發生。那么，乳酸是如何起作用的呢？實驗發現，乳酸化修飾在化療耐藥腫瘤細胞系及化療耐藥患者腫瘤組織樣本中顯著上調。因此，研究團隊隨后使用4D-無標記乳酸化修飾蛋白質組學分析，篩選出了乳酸化修飾調控的一個關鍵底物蛋白：NBS1。NBS1的全稱是奈梅亨斷裂綜合征蛋白1（Nijmegen breakage syndrome protein 1）。先前的研究發現，編碼該蛋白的基因發生突變可導致一種以染色質不穩定為特征的Nijmegen斷裂綜合征，主要表現為生長遲緩、智力障礙、免疫缺陷、細胞周期檢查點缺失、癌癥風險增加以及對電離輻射敏感等。而正常情況下，NBS1蛋白可與MRE11和RAD50蛋白形成一個復合物，即MRE11-RAD50-NBS1（MRN），在DNA復制和DNA雙鏈斷裂的修復等過程中起重要作用，主要包括DNA雙鏈斷裂部位的識別和啟動HRR。此次研究中，乳酸化修飾質譜提示NBS1蛋白存在乳酸化修飾，且NBS1蛋白乳酸化修飾在耐藥的腫瘤細胞系中顯著上調，乳酸可進一步增強NBS1蛋白的乳酸化修飾。通過一系列生化實驗，研究團隊詳細揭示了NBS1乳酸化修飾的動態調控機制。作者關鍵鑒定并驗證出，NBS1蛋白上的乳酸化修飾位點位于第388位賴氨酸（K388），而與NBS1蛋白存在直接相互作用的乙酰基轉移酶TIP60蛋白，正是NBS1的乳酸化酶，導致NBS1蛋白的乳酸化修飾。相反，組蛋白去乙酰化酶HDAC3被確定為NBS1的去乳酸化酶，通過與NBS1的相互作用去除乳酸化修飾，抑制其乳酸化水平。隨后的基因編輯和體外實驗證實了上述發現。研究表明，K388乳酸化對于NBS1在DNA損傷修復中的功能至關重要。因為K388乳酸化修飾改變了NBS1蛋白構象，使之能夠更有效地招募和組裝MRN復合體，并促進HRR蛋白在DNA雙鏈斷裂部位募集，導致放化療抵抗。確認了乳酸如何影響腫瘤對化療的反應外，另一方面研究團隊還確認了腫瘤細胞內的乳酸來源。既往研究表明，腫瘤細胞中的乳酸主要有兩個來源：一是細胞內產生，由腫瘤細胞中的乳酸脫氫酶（LDHA）產生乳酸；而是攝取自細胞外，由定位于腫瘤細胞膜的單羧基轉運蛋白MCT1將腫瘤微環境中的乳酸攝取進入細胞內。而在此次研究中，作者發現腫瘤耐藥細胞中的乳酸主要通過LDHA在細胞內代謝產生。對于NBS1乳酸化修飾促進DNA損傷修復及化療抵抗，導致臨床預后不良，LDHA是這一過程的關鍵酶。根據上述新發現的分子機制，研究團隊提出了抗癌療法的一種新思路：靶向LDHA抑制乳酸產生，降低NBS1的乳酸化修飾水平，從而破壞腫瘤細胞的DNA修復機制，最終逆轉腫瘤化療抵抗。令人興奮的是，一種已被歐洲藥品管理局批準用于治療癲癇的藥物，司替戊醇（stiripentol），是已有深入研究的一種LDHA抑制劑。研究團隊測試后發現，司替戊醇可阻斷胃癌細胞乳酸的產生，抑制NBS1 K388的乳酸化修飾，從而降低DNA修復效率并克服腫瘤放化療耐藥性。在腫瘤患者來源的類器官和異種移植模型中，司替戊醇與化療藥物順鉑或放療聯合使用，表現出高度協同效應，削弱腫瘤細胞的DNA修復能力并提高放化療的效果，顯著抑制腫瘤生長并延長小鼠的生存期。這些發現不僅揭示了乳酸在腫瘤代謝中的重要角色，定義了乳酸化作為抗腫瘤耐藥的新靶點，更為臨床治療提供了新的方向，首次發現了可阻斷DNA損傷修復的靶向藥物司替戊醇。尤其值得關注的是，作為已在臨床上廣泛應用的一種老藥，司替戊醇的安全性和藥效已得到驗證，這意味著將司替戊醇用于腫瘤耐藥的臨床研究有望迅速得到應用。研究團隊透露，目前已經申請了司替戊醇的腫瘤治療專利，并啟動了相關臨床研究，招募患者進行臨床試驗：司替戊醇聯合免疫靶向化療用于常規治療無效的腹膜轉移癌患者單臂前瞻性2期臨床試驗（注冊號：ChicTR2400083649）。如果試驗成功，這將為癌癥治療帶來革命性的變化，極大地提高放化療的成功率，造福廣大腫瘤耐藥患者。
張常華教授、尹東教授、Axel Behrens教授、何裕隆教授是本文的共同通訊作者，陳恒星博士、李贇博士、李華福博士是共同第一作者。本研究得到了以下項目的資助：國家重點研發計劃、國家自然科學基金，中國博士后科學基金，中國國家博士后創新人才支持計劃，廣東省科技廳廣東省消化系統腫瘤重點實驗室，深圳市“三名工程”，深圳市重點學科建設基金，深圳市可持續發展項目，深圳基礎研究項目，以及粵港澳聯合研究計劃。
[1] Hengxing Chen et al., NBS1 lactylation is required for efficient DNA repair and chemotherapy resistance. Nature (2024) Doi: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07620-9
