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一百多年前，著名生理学家Otto Warburg医生与同事最早观察到，肿瘤细胞有特殊的能量获取方式。即使在氧气充足的条件下，它们也更喜欢通过糖酵解途径代谢葡萄糖，而不像正常细胞那样选择更有效率的线粒体氧化磷酸化。这一现象被称为Warburg效应，Warburg医生也因此获得了1931年的诺贝尔生理学或医学奖。
由于这种特殊的代谢机制，肿瘤对葡萄糖的消耗速度很大，导致糖酵解的代谢产物——乳酸在肿瘤内大量积累，造就了酸性环境。 ，乳酸是癌细胞的重要“帮凶”，通过促进特定蛋白的乳酸化，影响DNA损伤修复，帮助癌细胞躲避化疗药物。
图片来源：123RF
在一篇近日发表于权威学术期刊《自然》的研究论文中，中山大学附属第七医院（深圳）何裕隆教授、张常华教授团队联合中山大学孙逸仙纪念医院、英国癌症研究院合作发现，乳酸通过增强NBS1蛋白的乳酸化修饰，对于肿瘤的DNA损伤修复和化疗耐药起到了关键作用。基于这一发现，研究团队找到了一款“老药”司替戊醇（stiripentol），可以通过抑制乳酸的产生，逆转肿瘤对化疗药物的抵抗，为癌症治疗提供了一种新策略。
为了确认乳酸对于肿瘤抵抗化疗的影响，研究团队首先通过蛋白质组学和代谢组学分析了一组新辅助化疗胃癌肿瘤组织样本。相比对化疗敏感的肿瘤，耐药肿瘤组织中的乳酸水平显著上升。而来自动物模型和类器官模型的实验也进一步证实，乳酸会降低化疗的抗肿瘤效果，促进荷瘤小鼠的化疗耐药。
进一步分析发现，乳酸显著增强了DNA同源重组修复（HRR）。肿瘤细胞在经受化疗造成DNA损伤后，乳酸能快速修复受损的DNA，从而降低治疗效果，导致耐药发生。
▲ 乳酸增强肿瘤细胞DNA修复和肿瘤化疗耐药（图片来源：参考资料[1]）
那么，乳酸是如何起作用的呢？实验发现，乳酸化修饰在化疗耐药肿瘤细胞系及化疗耐药患者肿瘤组织样本中显著上调。因此，研究团队随后使用4D-无标记乳酸化修饰蛋白质组学分析，筛选出了乳酸化修饰调控的一个关键底物蛋白：NBS1。
NBS1的全称是奈梅亨断裂综合征蛋白1（Nijmegen breakage syndrome protein 1）。先前的研究发现，编码该蛋白的基因发生突变可导致一种以染色质不稳定为特征的Nijmegen断裂综合征，主要表现为生长迟缓、智力障碍、免疫缺陷、细胞周期检查点缺失、癌症风险增加以及对电离辐射敏感等。而正常情况下，NBS1蛋白可与MRE11和RAD50蛋白形成一个复合物，即MRE11-RAD50-NBS1（MRN），在DNA复制和DNA双链断裂的修复等过程中起重要作用，主要包括DNA双链断裂部位的识别和启动HRR。
此次研究中，乳酸化修饰质谱提示NBS1蛋白存在乳酸化修饰，且NBS1蛋白乳酸化修饰在耐药的肿瘤细胞系中显著上调，乳酸可进一步增强NBS1蛋白的乳酸化修饰。
通过一系列生化实验，研究团队详细揭示了NBS1乳酸化修饰的动态调控机制。作者关键鉴定并验证出，NBS1蛋白上的乳酸化修饰位点位于第388位赖氨酸（K388），而与NBS1蛋白存在直接相互作用的乙酰基转移酶TIP60蛋白，正是NBS1的乳酸化酶，导致NBS1蛋白的乳酸化修饰。相反，组蛋白去乙酰化酶HDAC3被确定为NBS1的去乳酸化酶，通过与NBS1的相互作用去除乳酸化修饰，抑制其乳酸化水平。随后的基因编辑和体外实验证实了上述发现。
▲ 乳酸诱导NBS1 K388乳酸化，TIP60介导NBS1 K388乳酸化（图片来源：参考资料[1]）
研究表明，K388乳酸化对于NBS1在DNA损伤修复中的功能至关重要。因为K388乳酸化修饰改变了NBS1蛋白构象，使之能够更有效地招募和组装MRN复合体，并促进HRR蛋白在DNA双链断裂部位募集，导致放化疗抵抗。
确认了乳酸如何影响肿瘤对化疗的反应外，另一方面研究团队还确认了肿瘤细胞内的乳酸来源。既往研究表明，肿瘤细胞中的乳酸主要有两个来源：一是细胞内产生，由肿瘤细胞中的乳酸脱氢酶（LDHA）产生乳酸；而是摄取自细胞外，由定位于肿瘤细胞膜的单羧基转运蛋白MCT1将肿瘤微环境中的乳酸摄取进入细胞内。
而在此次研究中，作者发现肿瘤耐药细胞中的乳酸主要通过LDHA在细胞内代谢产生。对于NBS1乳酸化修饰促进DNA损伤修复及化疗抵抗，导致临床预后不良，LDHA是这一过程的关键酶。
▲Warburg效应介导的肿瘤耐药机制机制示意图（图片来源：参考资料[1]）
根据上述新发现的分子机制，研究团队提出了抗癌疗法的一种新思路： 靶向LDHA抑制乳酸产生，降低NBS1的乳酸化修饰水平 ，从而破坏肿瘤细胞的DNA修复机制，最终逆转肿瘤化疗抵抗。
令人兴奋的是，一种已被欧洲药品管理局批准用于治疗癫痫的药物，司替戊醇（stiripentol），是已有深入研究的一种LDHA抑制剂。
研究团队测试后发现，司替戊醇可阻断胃癌细胞乳酸的产生，抑制NBS1 K388的乳酸化修饰，从而降低DNA修复效率并克服肿瘤放化疗耐药性。在肿瘤患者来源的类器官和异种移植模型中，司替戊醇与化疗药物顺铂或放疗联合使用，表现出高度协同效应，削弱肿瘤细胞的DNA修复能力并提高放化疗的效果，显著抑制肿瘤生长并延长小鼠的生存期。
▲ 司替戊醇克服肿瘤的放化疗耐药、新辅助化疗耐药肿瘤中LDHA和NBS1 K388乳酸化水平升高（图片来源：参考资料[1]）
这些发现不仅揭示了乳酸在肿瘤代谢中的重要角色，定义了乳酸化作为抗肿瘤耐药的新靶点，更为临床治疗提供了新的方向，首次发现了可阻断DNA损伤修复的靶向药物司替戊醇。
尤其值得关注的是，作为已在临床上广泛应用的一种老药，司替戊醇的安全性和药效已得到验证，这意味着将司替戊醇用于肿瘤耐药的临床研究有望迅速得到应用。研究团队透露，目前已经申请了司替戊醇的肿瘤治疗专利，并启动了相关临床研究，招募患者进行临床试验：司替戊醇联合免疫靶向化疗用于常规治疗无效的腹膜转移癌患者单臂前瞻性2期临床试验（注册号：ChicTR2400083649）。如果试验成功，这将为癌症治疗带来革命性的变化，极大地提高放化疗的成功率，造福广大肿瘤耐药患者。
张常华教授、尹东教授、Axel Behrens教授、何裕隆教授是本文的共同通讯作者，陈恒星博士、李贇博士、李华福博士是共同第一作者。本研究得到了以下项目的资助：国家重点研发计划、国家自然科学基金，中国博士后科学基金，中国国家博士后创新人才支持计划，广东省科技厅广东省消化系统肿瘤重点实验室，深圳市“三名工程”，深圳市重点学科建设基金，深圳市可持续发展项目，深圳基础研究项目，以及粤港澳联合研究计划。
参考资料：
[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
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