无氧代谢通过组蛋白-3赖氨酸-18乳酸化介导PPARD轴促进乳腺癌存活

　　

厌氧代谢通过 H3K18 乳酸化调控 PPARD 轴促进乳腺癌存活的研究解读

山东第一医科大学附属省立医院（山东省立第三医院）的研究人员在《Cell Death Discovery》期刊上发表了题为 “Anaerobic metabolism promotes breast cancer survival via Histone-3 Lysine-18 lactylation mediating PPARD axis” 的论文。该研究对于深入理解乳腺癌的发病机制以及开发新的治疗策略具有重要意义，为乳腺癌的治疗提供了新的潜在靶点和理论依据，有望推动乳腺癌治疗领域的发展。

一、摘要核心内容

研究人员运用多种实验技术，发现乳腺癌组织中 H3K18la 水平高于癌旁组织。H3K18la 促进 PPARD 表达，进而影响 AKT 转录，且糖酵解增强了乳腺癌细胞的染色质可及性。同时证实 HDAC2 和 HDAC3 是 H3 赖氨酸乳酸化的 “擦除器”。该研究表明，乳腺癌中 H3K18la 及其下游转录因子 PPARD 的变化支持细胞在厌氧糖酵解条件下存活，PPARD 通过促进 AKT 的转录和磷酸化加速癌症增殖，凸显了靶向 H3K18la/PPARD/AKT 轴在乳腺癌治疗中的潜力。

二、研究背景

（一）乳腺癌现状

乳腺癌已成为中国女性中第二常见的恶性肿瘤，尽管其死亡率低于肺癌、肝癌和胃癌，但降低乳腺癌死亡率仍是一项艰巨挑战，了解其肿瘤发生和恶性进展的分子机制至关重要。

（二）乳酸与组蛋白乳酸化

乳酸以往被视为无氧糖酵解的副产物，如今被认为是一种多功能信号分子。组蛋白乳酸化是一种受细胞内乳酸代谢影响的新型表观遗传修饰，在肿瘤细胞中，由于沃伯格效应，其乳酸产生量高于正常细胞，组蛋白乳酸化在肿瘤代谢、血管生成和免疫抑制中发挥作用，成为癌症研究的关键领域。

（三）PPARD 的作用

PPARD 是一种配体依赖性核转录因子，参与调节葡萄糖和脂质代谢、细胞增殖等过程。它在多种癌症中过表达，对肿瘤发展的作用存在争议，在癌症治疗和代谢紊乱治疗中具有潜在应用价值，但作用机制复杂。

三、研究材料与方法

（一）临床样本

收集山东省立第三医院乳腺甲状腺科 2023 年 9 月至 2024 年 6 月手术患者的新鲜乳腺癌及癌旁组织，还有 2021 年 1 月至 2023 年 6 月病理科的石蜡切片样本，经两位专家病理学家确诊，研究获医院伦理委员会批准并取得患者同意。

（二）细胞培养

选用 MDA-MB - 231、4T1、4T1 - Luciferase、293T 等多种细胞系，在特定培养基及培养条件下培养，部分细胞用于药物处理实验，部分用于质粒转染及报告基因实验。

（三）实验技术

1. 实时定量逆转录 PCR：提取细胞总 RNA 并逆转录为 cDNA，进行实时 PCR，以 β - actin 为内参计算基因相对表达量。

2. 染色质免疫沉淀（ChIP）-PCR 及 ChIP - seq：对细胞进行处理后免疫沉淀染色质，分析相关基因；对新鲜组织进行 ChIP 实验及高通量测序，分析差异结合峰等。

3. 免疫组化（IHC）、免疫荧光（IF）及蛋白质免疫印迹（Western Blot）：对组织样本进行抗原修复、抗体孵育等操作，检测目标蛋白；对细胞或组织提取的蛋白质进行电泳、转膜、抗体孵育等，分析目标蛋白表达。

4. 其他技术：包括苏木精 - 伊红（H&E）染色观察组织形态；进行生物信息学分析挖掘数据；利用流式细胞术检测细胞增殖和凋亡；通过细胞单克隆增殖实验评估细胞增殖能力；进行转染实验改变细胞基因表达；运用转座酶可及染色质高通量测序（ATAC - seq）研究染色质可及性；通过荧光素酶报告基因实验评估基因表达调控；采用蛋白质组学技术分析肿瘤蛋白质变化；构建裸鼠体内动物模型研究肿瘤生长和转移 。

四、研究结果

（一）糖酵解促进乳腺癌细胞存活

研究人员利用二氯乙酸（DCA，无氧呼吸抑制剂）和鱼藤酮（Rotenone，有氧呼吸抑制剂）建立体外实验分组。通过细胞单克隆增殖实验、流式细胞术检测细胞周期和凋亡，发现糖酵解条件下（ROT 干扰）MB - 231 细胞数量增加、凋亡减少。体内实验中，建立 4T1 乳腺癌细胞裸鼠皮下肿瘤模型，发现抑制有氧呼吸不阻碍肿瘤增殖，抑制无氧呼吸则显著抑制肿瘤生长、促进细胞死亡。利用 4T1 - Luciferase 细胞系评估肝转移情况，发现抑制有氧呼吸增强肝转移瘤生长，抑制无氧呼吸则抑制转移瘤扩张。

（二）H3K18la 和 HDACs 在呼吸代谢中的差异

通过 qPCR 和 WB 检测 MB - 231 细胞中 H3K18la 和 HDACs（HDAC1/2/3）水平，发现 ROT 组 H3K18la 水平显著升高，HDAC2 和 HDAC3 水平降低，HDAC1 水平无显著差异。在裸鼠皮下肿瘤异种移植模型及患者乳腺癌组织和癌旁组织中也得到类似结果。转染 HDAC2 和 HDAC3 过表达质粒实验表明，HDAC2 和 HDAC3 是组蛋白 H3 乳酸化的关键调节因子，可降低 H3K18la 水平。

（三）H3K18la 介导乳腺癌中 PPARD 的表达

对乳腺癌及癌旁组织进行 ChIP - seq 分析，结合 TCGA 数据库，发现 PPARD 是与 H3K18la 相关的关键转录因子，其高表达与乳腺癌患者预后不良相关。在临床样本中，PPARD 在乳腺癌组织中高表达且与 H3K18la 正相关。细胞和裸鼠实验显示，DCA 处理会降低 PPARD 水平，推测 H3K18la 介导 PPARD 表达，转染 H3K18 突变质粒实验证实了这一点。

（四）H3K18la/PPARD 轴通过 PI3K/AKT 信号通路促进细胞增殖

分析 KEGG 数据库及 TCGA 数据，发现 H3K18la 和 PPARD 与 AKT 信号通路相关，ILK 虽为 AKT 信号级联关键酶，但在乳腺癌组织中表达降低且与预后不良相关，而 PI3K/AKT 信号通路在临床样本中高表达。体外和体内实验表明，ROT 处理激活 PI3K/AKT 信号通路，促进细胞增殖、抑制凋亡。构建 PPARD 过表达和沉默质粒转染 MB - 231 细胞实验，以及体内模型实验，均表明 PPARD 通过激活 PI3K/AKT 信号通路促进癌细胞增殖 。

（五）PPARD 的转录激活机制

对裸鼠皮下肿瘤进行 ATAC - seq 检测，发现 Rotenone 处理组肿瘤染色质开放性更高，相关基因区域可及性增强，PPARD 和 AKT 水平增加而 ILK 无显著差异。进一步实验表明，PPARD 作为转录因子，可与 AKT 启动子结合促进其转录，但不影响 ILK 表达。

（六）AKT 的蛋白质磷酸化组学分析

对乳腺癌模型皮下肿瘤进行定量蛋白质组学分析，发现 DCA 和 ROT 组与对照组存在大量差异蛋白，涉及 PPAR 信号通路。定量磷酸化蛋白质组学分析发现特定磷酸化蛋白，其中磷酸化 AKT1 在癌细胞呼吸代谢改变时高表达，且 AKT1 在丝氨酸 - 124 和丝氨酸 - 126 位点有显著磷酸化。

五、研究结论与讨论

（一）研究结论

组蛋白乳酸化在乳腺癌中是一种重要的表观遗传修饰，H3K18la 调节众多基因，PPARD 是关键转录因子。H3K18la 促进 PPARD 表达，激活 PI3K/AKT 信号通路，维持乳腺癌细胞存活和增殖。H3K18la 与 HDAC2/3 呈负相关，HDACs 可擦除组蛋白乳酸化，抑制 HDAC2 和 HDAC3 可维持 PPARD/AKT 信号轴。糖酵解代谢通过沃伯格效应助力癌细胞在缺氧环境下存活，抑制糖酵解可减少肿瘤生长、诱导凋亡。PPARD 与染色质可及性相关，特异性促进 AKT 转录，AKT1 的特定磷酸化位点可能在激活 AKT 信号通路中起关键作用。

（二）讨论

组蛋白乳酸化在肿瘤发生、免疫反应和能量代谢调节中至关重要，影响染色质结构和基因表达。本研究证实乳腺癌细胞糖酵解代谢加速 H3K18la 水平，抑制 HDAC2 和 HDAC3 表达，它们可能构成反馈回路调节基因表达，深入理解其相互作用有助于揭示表观遗传调控新机制。

PPARD 在多种疾病机制中发挥重要作用，本研究发现其在调节 PI3K/AKT 信号通路中的转录机制，改变了对 PPAR 信号通路的认知。但 PPARD 自身的激活和抑制机制尚未完全明确，探究影响其活性的外部信号和细胞内介质，将有助于深入理解其在癌症和其他疾病中的作用。

蛋白质组学可用于癌症诊断、预后和治疗，本研究通过检测蛋白质组和磷酸化修饰，验证了 PPAR 信号通路相关蛋白的差异，以及磷酸化 AKT1 对激活 PI3K/AKT 信号通路的作用，表明糖酵解代谢通过激活 AKT 磷酸化维持乳腺癌细胞存活。

尽管本研究取得重要进展，但仍存在局限性，如样本量相对较小，需扩大样本量进行验证；虽表明靶向 H3K18la/PPARD/AKT 轴有治疗潜力，但需在动物模型中用特异性抑制剂评估疗效和安全性。未来研究应聚焦这些方面，进一步探索该轴在临床前模型中的治疗潜力。