細胞代謝失調(diào)是癌癥的重要特征之一。脂肪酸和脂質(zhì)作為關鍵的信號因子、能量來源和細胞膜組成成分,在細胞增殖中具有關鍵作用。然而,迄今為止,在肝癌的治療中靶向脂質(zhì)合成的臨床進展有限。
2022年4月21日,中國科學院大連化學物理研究所樸海龍團隊、許國旺團隊和大連醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院譚廣團隊合作在Nature Communications (IF 14.919)雜志上發(fā)表了題為“USP22 regulates lipidome accumulation by stabilizing PPARγ in hepatocellular carcinoma”的研究成果,通過對肝癌及癌旁組織進行非靶向代謝組學和蛋白質(zhì)組學分析,發(fā)現(xiàn)泛素特異性蛋白酶22(USP22)與脂質(zhì)合成異常上調(diào)密切相關,并進一步通過同位素示蹤、免疫共沉淀、腫瘤異種移植等證實USP22通過去泛素化并穩(wěn)定脂肪酸合成關鍵轉(zhuǎn)錄因子PPARγ的表達,進而上調(diào)脂肪酸從頭合成并促進腫瘤發(fā)生。
研究材料
肝癌和癌旁組織;人肝癌細胞;異種移植腫瘤模型
技術路線
· 步驟1:HCC脂質(zhì)代謝異常與USP22顯著相關;
· 步驟2:USP22促進HCC細胞脂質(zhì)積累;
· 步驟3:USP22通過與PPARγ相互作用調(diào)控ACC和ACLY轉(zhuǎn)錄;
· 步驟4:USP22通過PPARγ上調(diào)ACC和ACLY參與HCC腫瘤發(fā)生;
· 步驟5:USP22-PPARγ/ACC/ACLY與肝癌預后不良顯著相關。
研究結(jié)果
1. HCC脂質(zhì)代謝異常與USP22顯著相關
作者采用非靶向代謝組學方法對HCC的癌和癌旁組織進行分析,發(fā)現(xiàn)與癌旁組織相比,癌組織中共有47個代謝物發(fā)生了顯著改變,其中上調(diào)代謝物主要是脂質(zhì)和類脂分子(22/26)。KEGG通路分析表明癌組織中的差異代謝物主要參與脂質(zhì)生物合成。進一步對癌和癌旁組織中的泛素特異性蛋白酶(USPs)進行分析,發(fā)現(xiàn)USP22表達最高,且與脂質(zhì)和類脂分子上調(diào)顯著相關,表明USP22可能參與HCC癌組織中的脂質(zhì)生物學合成。
圖1 高表達USP22的HCC脂質(zhì)代謝異常
2. USP22 促進HCC細胞脂質(zhì)積累
作者分別構建了USP22敲低和過表達細胞系,通過代謝組學分析共獲得53個差異代謝物,其中34個代謝物表達趨勢相反,主要參與脂肪酸合成途徑。采用代謝流分析脂肪酸的合成過程,發(fā)現(xiàn)USP22敲低細胞中棕櫚酸和硬脂酸標記顯著降低,而過表達細胞中標記顯著增加。并且USP22過表達細胞中甘油三酯顯著增加。表明USP22在肝細胞脂質(zhì)含量積累中發(fā)揮關鍵作用,并可能促進肝細胞中脂肪酸的從頭合成。進一步通過轉(zhuǎn)錄組學、qPCR和WB分析發(fā)現(xiàn)USP22可以通過脂肪酸合成關鍵酶ACC和ACLY的轉(zhuǎn)錄上調(diào)促進脂肪酸從頭合成從而積累脂肪酸。
圖2 USP22通過ACC和ACLY的轉(zhuǎn)錄上調(diào)促進脂質(zhì)積累
3. USP22通過與PPARγ相互作用調(diào)控ACC和ACLY轉(zhuǎn)錄
作者通過IP-MS發(fā)現(xiàn)USP22的潛在底物PPARγ——脂質(zhì)代謝轉(zhuǎn)錄因子。此外,在MHCC-97L、HUH7、HepG2、SNU449和Bel-7402細胞中同樣發(fā)現(xiàn)了USP22的靶蛋白PPARγ。體外pull down實驗再次驗證了USP22與PPARγ的直接相互作用。免疫熒光染色結(jié)果顯示USP22和PPARγ主要定位于肝癌細胞的細胞核。
圖3 USP22與脂質(zhì)代謝關鍵轉(zhuǎn)錄因子PPARγ相互作用
接著,作者進一步通過去泛素化實驗發(fā)現(xiàn),USP22敲低細胞中PPARγ多泛素化水平顯著升高,而USP22過表達細胞中PPARγ去泛素化作用增強。體外實驗也證明USP22可以顯著促進PPARγ去泛素化。并且賴氨酸-169可能是USP22調(diào)控PPARγ去泛素化的重要位點。
圖4 USP22的去泛素化作用
4. USP22通過PPARγ上調(diào)ACC和ACLY參與HCC腫瘤發(fā)生
敲低PPARγ或ACC后,葡萄糖示蹤劑對脂肪酸的標記顯著降低;而回補PPARγ顯著增加了USP22敲低細胞中脂肪酸標記。此外,油紅染色也證實了TG的積累趨勢。表明USP22通過穩(wěn)定PPARγ上調(diào)脂肪酸的生物合成。
進一步進行異種移植瘤分析,發(fā)現(xiàn)過表達USP2的小鼠腫瘤更大;而同時過表達USP22并敲除PPARγ、ACC或ACLY的小鼠腫瘤生長速度較慢。過表達USP22的腫瘤中PPARγ、ACC和ACLY表達上調(diào);過表達PPARγ可以恢復USP22敲低細胞中ACC和ACLY的表達。表明過表達USP22可以通過PPARγ介導的ACACA和ACLY的表達激活體內(nèi)脂肪酸信號的從頭合成。
圖5 USP22通過PPARγ上調(diào)ACC和ACLY參與HCC的腫瘤發(fā)生
5. USP22-PPARγ/ACC/ACLY與肝癌預后不良顯著相關
IHC分析顯示肝癌TMAs中USP22的表達與PPARγ、ACC或ACLY的表達呈正相關。并且USP22或PPARγ水平較高的患者總生存期較短;USP22和PPARγ水平均高的患者總體生存期更差。進一步利用TCGA數(shù)據(jù)集明確了USP22、PPARγ、ACC和ACLY的高表達與HCC患者不良預后的顯著相關性。
圖6 USP22-PPARγ/ACC/ACLY軸與肝癌預后顯著相關
小編小結(jié)
本研究作者利用轉(zhuǎn)錄組、代謝組和IP-MS等方法,發(fā)現(xiàn)USP22是脂肪酸從頭合成的關鍵調(diào)控因子,通過直接與PPARγ相互作用介導ACLY/ACC的表達調(diào)控脂肪酸從頭合成。此外,在臨床HCC樣本中發(fā)現(xiàn)USP22的高表達與PPARγ、ACLY或ACC的表達呈正相關,并與不良預后相關。本研究為HCC預后風險評估和基于靶向脂質(zhì)合成的治療提供了理論基礎。
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