SIRT5介导的MTHFD2去琥珀酰化通过调控细胞衰老增强乳腺癌化疗耐药性的机制研究

《Communications Biology》：SIRT5-mediated desuccinylation of MTHFD2 enhances chemoresistance in breast cancer cells by reducing therapy-induced senescence

本研究揭示了SIRT5通过介导MTHFD2 K44位点的去琥珀酰化修饰，激活其酶活性促进NADPH生成，进而维持ROS稳态并延缓细胞衰老。在乳腺癌中，该调控轴通过降低治疗诱导的衰老（TIS）增强化疗耐药性，为克服乳腺癌耐药提供了新的代谢靶点。

　　

在癌症治疗领域，化疗耐药性一直是困扰临床实践的重大挑战。特别是对于转移性乳腺癌患者，传统化疗药物往往疗效有限。近年来研究发现，治疗诱导的衰老（therapy-induced senescence, TIS）作为一种特殊的细胞状态，在肿瘤治疗中扮演着双重角色：一方面，衰老的肿瘤细胞停止增殖；另一方面，这些细胞可能通过分泌衰老相关分泌表型（SASP）促进肿瘤复发和耐药。因此，深入理解TIS的调控机制，对于开发新的抗癌策略具有重要意义。

代谢重编程是肿瘤细胞的典型特征之一，其中叶酸代谢通路在肿瘤发生发展中起着关键作用。线粒体亚型甲基四氢叶酸脱氢酶2（MTHFD2）作为该通路中的重要酶，在多种癌症中高表达，与不良预后密切相关。MTHFD2催化NADP⁺生成NADPH，后者是维持细胞内氧化还原平衡的关键辅因子。然而，MTHFD2在TIS和化疗耐药中的具体作用机制尚不清楚。

同时，蛋白质翻译后修饰，特别是近年来发现的琥珀酰化修饰，在调控代谢酶活性和肿瘤进展中日益受到关注。琥珀酰化是一种由琥珀酰辅酶A介导的赖氨酸修饰，可显著影响蛋白质的功能和稳定性。去琥珀酰化酶SIRT5能否调控MTHFD2的活性，进而影响肿瘤细胞的衰老进程和化疗敏感性，是一个值得深入探究的科学问题。

本研究发表在《Communications Biology》杂志，通过整合蛋白质组学、生物化学和细胞生物学方法，系统阐述了SIRT5-MTHFD2调控轴在细胞衰老和乳腺癌化疗耐药中的作用机制。研究人员利用4D-FastDIA蛋白质组学技术分析了DNA损伤诱导的琥珀酰化修饰动态变化，通过免疫共沉淀、点突变、酶活性测定等技术验证了MTHFD2的琥珀酰化修饰及功能影响，并采用细胞衰老模型、异种移植瘤模型等探讨了其在乳腺癌化疗耐药中的作用。

SIRT5介导MTHFD2去琥珀酰化并激活其酶活性

研究人员通过蛋白质组学分析发现，MTHFD2是DNA损伤应答中发生动态琥珀酰化修饰的关键代谢酶。进一步实验证实，SIRT5是MTHFD2的主要去琥珀酰化酶，二者在细胞内存在明显共定位。质谱分析鉴定出MTHFD2的K44位点是关键的琥珀酰化位点，该位点的突变（K44E）显著增强MTHFD2的琥珀酰化水平。功能实验表明，K44位点的琥珀酰化会抑制MTHFD2的酶活性，降低NADPH的生成能力，而SIRT5介导的去琥珀酰化则能恢复MTHFD2的催化功能。

MTHFD2缺失通过ROS-AMPK-p53通路诱导细胞衰老

研究发现，在复制性衰老、癌基因诱导衰老和DNA损伤诱导衰老等多种衰老模型中，MTHFD2的表达均显著下调。机制上，MTHFD2的缺失导致细胞内NADPH水平下降，活性氧（ROS）积累，进而激活AMPK-p53/p21信号轴，诱导细胞衰老。值得注意的是，MTHFD2在衰老细胞中的下调是通过自噬-溶酶体途径实现的，而琥珀酰化修饰可能促进了MTHFD2的降解。

SIRT5-MTHFD2轴通过调控ROS稳态影响细胞衰老

实验证明，SIRT5的敲低导致MTHFD2琥珀酰化水平升高，酶活性抑制，ROS水平上升，从而促进细胞衰老。相反，SIRT5过表达或MTHFD2 K44位点的去琥珀酰化能维持ROS稳态，延缓衰老进程。使用抗氧化剂NAC可逆转MTHFD2缺失引起的衰老表型，表明ROS积累是该过程的关键介质。

MTHFD2调控乳腺癌细胞增殖和化疗耐药

临床数据分析显示，MTHFD2在乳腺癌组织中高表达，且与患者不良预后相关。功能实验表明，MTHFD2敲低抑制乳腺癌细胞增殖，增强其对化疗药物奥拉帕尼（olaparib）的敏感性。机制上，MTHFD2缺失增加DNA损伤标志物γH2AX和p-RPA2的表达，而酶活性缺失突变体（Q132K/D155A）无法恢复MTHFD2敲低引起的表型，说明MTHFD2的酶活性对其功能至关重要。

SIRT5-MTHFD2轴通过调控TIS影响化疗耐药

研究发现，MTHFD2敲低或K44琥珀酰化突变增强乳腺癌细胞对奥拉帕尼诱导的TIS，表现为SA-β-半乳糖苷酶活性和p16^INK4a表达增加。SIRT5敲低通过增加MTHFD2琥珀酰化，促进TIS，增强化疗敏感性。联合使用衰老细胞清除药物navitoclax可进一步增强化疗效果。体内实验证实，MTHFD2 K44E突变体联合SIRT5敲低显著抑制肿瘤生长，提高化疗敏感性。

本研究系统阐明了SIRT5介导的MTHFD2去琥珀酰化在调控细胞衰老和乳腺癌化疗耐药中的重要作用。具体而言，SIRT5通过去琥珀酰化MTHFD2的K44位点，激活其酶活性，促进NADPH生成，维持ROS稳态，从而抑制TIS和增强化疗耐药。相反，MTHFD2的琥珀酰化或表达下调则促进TIS，提高化疗敏感性。

该研究的创新性在于首次揭示了蛋白质琥珀酰化修饰在TIS调控中的关键作用，提出了SIRT5-MTHFD2轴作为乳腺癌治疗新靶点的潜力。特别是在克服化疗耐药方面，通过调控该轴心可能实现双重效果：一方面诱导肿瘤细胞衰老抑制增殖，另一方面增强其对化疗药物的敏感性。此外，研究还提示联合使用senolytic药物可能为TIS相关的肿瘤治疗提供新策略。

这些发现不仅深化了对细胞衰老代谢调控机制的理解，也为乳腺癌的临床治疗提供了新的思路和潜在靶点。未来针对SIRT5-MTHFD2通路的药物开发，可能为克服乳腺癌化疗耐药提供新的治疗选择。