Đến cuối thế kỷ XIX, các bất thường nhiễm sắc thể được phát hiện dưới kính hiển vi ánh sáng cho thấy một loại mất ổn định bộ gen lớn dẫn đến số lượng nhiễm sắc thể bất thường xảy ra ở một số loại ung thư. Không lâu sau, nhà hóa sinh Otto Warburg đã quan sát thấy các tế bào khối u có xu hướng sử dụng các con đường chuyển hóa glucose và năng lượng khác biệt với các tế bào được sử dụng bởi các tế bào bình thường. Bây giờ chúng ta biết rằng sự mất ổn định bộ gen và sự trao đổi chất thay đổi là hai đặc điểm chung của hầu hết các tế bào khối u. Sự mất ổn định bộ gen đã được điều tra liên tục kể từ khi phát hiện ra nó; chuyển hóa thay đổi đã được tái phát hiện như là một lĩnh vực nghiên cứu chỉ gần đây. Nhưng không có nhiều nhiễu xuyên âm giữa hai quá trình ung thư này đã được báo cáo cho đến nay. Viết trong Nature , Sulkowski et al. (1) tiết lộ làm thế nào một số chất chuyển hóa tích lũy đến mức cao trong các tế bào khối u ngăn chặn sửa chữa DNA, do đó tiết lộ một liên kết trực tiếp giữa sự trao đổi chất thay đổi và sự mất ổn định bộ gen gây ra bởi sự phá hủy DNA.
Đột biến nhắm vào các gen mã hóa các enzyme isocitrate dehydrogenase 1 và 2 (IDH1 và IDH2) dẫn đến các tế bào tích lũy mức độ cao của chất chuyển hóa 2-hydroxyglutarate (2-HG). Đột biến trong gen mã hóa các enzyme fumarate hydratase và succinate dehydrogenase làm cho các tế bào tích lũy mức độ cao của các phân tử fumarate và succinate, tương ứng. Ba phân tử nhỏ này thường được gọi là oncometabolites vì sự tích lũy của chúng làm tăng sự phát triển khối u (2 , 3) và chúng có cấu trúc tương tự như phân tử α-ketoglutarate (α-KG). Đây là một chất trung gian trong con đường chu trình Krebs cũng đóng vai trò là một thành phần, được gọi là chất nền, cần thiết cho chức năng của một họ enzyme gọi là dioxygenase phụ thuộc α-KG / Fe (II).
Họ enzyme này, bao gồm 65 thành viên ở người (4) , xúc tác một loạt các phản ứng oxy hóa đa dạng trong protein, DNA, RNA và lipid. Trong các phản ứng này, α-KG liên kết với vị trí hoạt động của enzyme để hỗ trợ xúc tác. Tuy nhiên, 2-HG, succinate và fumarate có thể cạnh tranh với α ‑ KG để liên kết với vị trí xúc tác này và do đó ức chế các enzyme này. Một loại enzyme như vậy là lysine histone demethylase (KDM), điều chỉnh nhiễm sắc thể - phức hợp DNA và protein trong đó nhiễm sắc thể được tạo ra (5 – 7) .
Hai KDM liên quan chặt chẽ, được gọi là KDM4A và KDM4B, xúc tác loại bỏ một nhóm methyl (demethylation) từ dư lượng axit amin lysine (gọi là K9) trong protein histone 3 (H3) gắn DNA. Sự methyl hóa H3K9 được liên kết với một con đường gọi là con đường sửa chữa phụ thuộc tương đồng (HDR), điều chỉnh các đứt gãy hai sợi (DSB) trong DNA (8) . DSB là loại thiệt hại DNA nguy hiểm nhất. Nếu không được sửa chữa, chúng có thể gây ra sự phá vỡ nhiễm sắc thể và mất ổn định bộ gen có thể thúc đẩy sự phát triển của khối u hoặc dẫn đến chết tế bào.
Sulkowski và các đồng nghiệp đã điều tra HDR trong các tế bào ung thư ở người được nuôi cấy trong ống nghiệm . Họ phát hiện ra rằng, tại một trang DSB, việc bổ sung ba nhóm methyl vào H3K9 cục bộ để tạo ra dư lượng H3K9me3 trimethylated có vai trò chính trong việc bắt đầu HDR. Trong các tế bào khối u có đột biến gen mã hóa IDH1, IDH2, fumarate hydratase hoặc succinate dehydrogenase, các tác giả báo cáo rằng mức độ cao của oncometabolites ức chế KDM4B. Sự ức chế demethylation này dẫn đến sự hypermethylation rộng rãi của H3K9 che giấu sự xuất hiện cụ thể của các dấu H3K9me3 và làm suy yếu việc tuyển dụng các yếu tố cần thiết cho sửa chữa HDR và DSB (Hình 1).
Một liên kết giữa oncometabolites và khiếm khuyết sửa chữa DNA đã được đề xuất trước đây bởi phát hiện lâm sàng rằng những người mắc một loại ung thư gọi là glioma với đột biến gen IDH1 hoặc IDH2 được hưởng lợi từ sự kết hợp giữa hóa trị và xạ trị, cả hai đều gây tổn thương DNA (9) . Phát hiện đó chỉ ra rằng các khối u tích lũy mức độ cao oncometabolites dễ bị tổn thương với liệu pháp gây tổn thương DNA. Hơn nữa, một phân tích bộ gen của các loại ung thư khác nhau đã xếp hạng IDH1 là gen người bị đột biến thường xuyên thứ năm có liên quan đến sửa chữa DNA (10) .
Hai cơ chế trước đây đã được đề xuất để giải thích cách 2 ‑ HG tích lũy khi IDH1 hoặc IDH2 bị đột biến gây ra lỗi sửa chữa DNA. Một ý tưởng là 2-HG trực tiếp ức chế các enzym ALKBH2 và ALKBH3, mà sửa chữa methyl hóa gây ra thiệt hại single-strand DNA (11) . Một đề nghị khác là 2 ‑ HG ức chế demethylase H3K9 và do đó làm giảm biểu hiện của ATM, một loại protein quan trọng cần thiết cho sửa chữa DNA (12).
Sulkowski và các đồng nghiệp trước đây đã phát hiện ra rằng oncometabolites đã ngăn chặn con đường HDR và đã xác định KDM4A và KDM4B là quan trọng đối với sửa chữa DSB (11) . Do đó, các tác giả đã khám phá các kết nối có thể giữa các quá trình này. HDR là một sự kiện phức tạp liên quan đến việc tuyển dụng liên tiếp nhiều yếu tố sửa chữa vào các trang DSB, với protein Tip60 là một trong những người đầu tiên đến khu vực bị hư hỏng (8) . Sulkowski và cộng sự . đã sử dụng một hệ thống trong đó các tế bào người được nuôi cấy in vitro được thiết kế để cho phép bắt đầu chính xác DSB và theo dõi quá trình sửa chữa.
Các tác giả nhận thấy rằng trong các tế bào đối chứng không có mức độ oncometabolites cao, sự tăng đột biến của H3K9me3 đã xảy ra cục bộ trong nhiễm sắc thể ở vùng lân cận DSB trong vòng 30 phút sau khi DSB được tạo ra. Tiếp theo đó là việc tuyển dụng phối hợp các yếu tố cần thiết cho HDR. Tuy nhiên, trong các tế bào ung thư có hàm lượng oncometabolites cao, H3K9me3 đã được nâng cao trong toàn bộ bộ gen trước khi gây ra DSB và việc tuyển dụng các yếu tố cần thiết cho HDR bị suy giảm đáng kể so với các tế bào đối chứng. Những khiếm khuyết trong tuyển dụng nhân tố sửa chữa có thể được ngăn chặn bằng cách xóa phiên bản đột biến của IDH1hoặc bằng cách điều trị bằng chất ức chế dược lý của protein IDH1 đột biến để ngăn chặn sản xuất 2 ‑ HG. Những kết quả này thiết lập mối quan hệ nhân quả giữa sự hiện diện của oncometabolites và sửa chữa DSB bị suy yếu.
Làm thế nào sự ức chế KDM4B bởi oncometabolites làm suy yếu HDR? Quá trình methyl hóa H3K9 cục bộ kích hoạt Tip60, từ đó kích hoạt ATM, một enzyme chủ yếu cần thiết cho HDR. Kết quả từ một loạt các thử nghiệm hỗ trợ mô hình của các tác giả rằng sự gia tăng đột ngột các sửa đổi H3K9me3 tại một trang DSB đóng vai trò là tín hiệu chính để tuyển dụng các yếu tố sửa chữa. Ngăn chặn sự tích lũy của oncometabolites, thêm α ‑ KG hoặc các tế bào kỹ thuật để thể hiện KDM4A hoặc KDM4B (nhưng không phải các KDM khác hoặc ALKBH2 hoặc ALKBH3), dẫn đến giảm sửa đổi gen H3K9me3 toàn cầu và phục hồi cả sửa đổi gen H3K9me3 tại một vị trí tổn hại DNA được thiết kế, so với các hiệu ứng nhìn thấy trong các tế bào không được điều trị như vậy.Nếu các tế bào sản xuất oncometabolites được thiết kế để có một phiên bản đột biến của histone để cô lập các enzyme methyltransferase H3K9 và do đó làm giảm mức độ biến đổi gen của H3K9me3, các tế bào đã hiển thị sự tăng đột biến của H3K9me3 trên DSB.
Phát hiện của Sulkowski và các đồng nghiệp mở rộng vai trò đã biết của oncometabolites và đưa ra một số câu hỏi thú vị. Làm thế nào để tăng đột biến trong H3K9me3 tại một trang DSB dẫn đến việc tuyển dụng các protein sửa chữa phối hợp, và yếu tố nào có thể nhận ra sự sửa đổi như vậy của trang DSB? Xung quanh trang DSB, liệu hypermethylation H3K9, được biết là tuyển dụng các yếu tố kìm hãm thúc đẩy sự hình thành một dạng nhiễm sắc đặc được gọi là heterochromatin, ngăn chặn sự ràng buộc của các yếu tố cần thiết cho HDR? Các câu hỏi cũng vẫn là về vai trò của KDM4A và KDM4B khác nhau trong HDR. Cả hai enzyme đều xúc tác cùng loại demethylation H3K9, và tăng cường biểu hiện của chúng có thể khắc phục sự ức chế bằng oncometabolites và ngăn ngừa khuyết tật HDR. Tuy nhiên, các tác giả báo cáo rằng sự cạn kiệt chỉ của KDM4B làm suy yếu HDR.
Enzyme PARP thúc đẩy sửa chữa các đứt gãy DNA đơn chuỗi và các chất ức chế ngăn chặn PARP được sử dụng để điều trị một số loại ung thư. Các tế bào khối u tạo ra 2 ‑ HG đặc biệt dễ bị tử vong nếu được điều trị bằng thuốc ức chế PARP (11) . Những phát hiện của Sulkowski et al . có thể dẫn đến các chiến lược trị liệu mới khai thác các cơ hội điều trị phát sinh từ sự tích lũy oncometabolite, cho rằng bây giờ chúng ta có một bức tranh rõ ràng hơn về cách các tế bào ung thư như vậy dễ bị tổn thương nếu các quá trình sửa chữa DNA được nhắm mục tiêu.
References
1. Sulkowski, P. L. et al. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-020-2363-0 (2020).
2. King, A., Selak, M. A. & Gottlieb, E. Oncogene 25, 4675–4682 (2006).
3. Ye, D., Guan, K.-L. & Xiong, Y. Trends Cancer 4, 151–165 (2018).
4. Rose, N. R., McDonough, M. A., King, O. N. F., Kawamura, A. & Schofield, C. J. Chem. Soc. Rev. 40, 4364–4397 (2011).
5. Chowdhury, R. et al. EMBO Rep. 12, 463–469 (2011).
6. Xu, W. et al. Cancer Cell 19, 17–30 (2011).
7. Xiao, M. et al. Genes Dev. 26, 1326–1338 (2012).
8. Sun, Y. et al. Nature Cell Biol. 11, 1376–1382 (2009).
9. Cairncross, J. G. et al. J. Clin. Oncol. 32, 783–790 (2014).
10. Knijnenburg, T. A. et al. Cell Rep. 23, 239–254.e6 (2018).
11. Sulkowski, P. L. et al. Sci. Transl. Med. 9, eaal2463 (2017).
12. Inoue, S. et al. Cancer Cell 30, 337–348 (2016).
