《BBA Advances》：Collateral lethality of NAD kinase in 1p36 deleted tumors drives vulnerability to NAD kinase 2 depletion
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针对1p36染色体区域在多种肿瘤中发生缺失、其中关键基因NADK（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸激酶）的功能冗余性及其临床转化潜力尚不明确的问题，研究人员开展了对NADK基因缺失与NADK2（其同源基因）耗竭之间合成致死关系的研究。结果表明，在NADK缺失的肿瘤细胞中，单独抑制NADK2即可显著降低细胞内NADP(H)水平、抑制细胞增殖并诱导凋亡，揭示了靶向NADK2是治疗NADK缺失肿瘤的潜在新策略。
在癌症的发生发展中，基因组的“交通事故”——拷贝数变异——屡见不鲜。其中，染色体大片段的缺失，尤其是那些携带了著名“抗癌卫士”（即肿瘤抑制基因）的区域，常常会“城门失火，殃及池鱼”，导致邻近一大批原本无辜的基因也随之丢失。这些“池鱼”基因的缺失，有时反而会给癌细胞自身埋下致命的弱点，这为科学家们利用“合成致死”原理精准打击癌细胞提供了绝佳的“阿喀琉斯之踵”。位于人类1号染色体短臂36区（1p36）的基因座，就是这样一个著名的“抗癌基因聚集区”，它的缺失在结肠癌、肺癌、乳腺癌等多种肿瘤中都有报道。
在这个基因座中，除了已知的肿瘤抑制基因，还有一个名为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸激酶（Nicotinamide adenine dinucleotide kinase, NADK）的基因。NADK堪称细胞能量与抗氧化防御系统的“充电头”，它负责将NAD磷酸化为NADP，而NADP的还原形式NADPH，则是细胞抵抗氧化应激、进行解毒和还原性生物合成的核心“电子货币”。有趣的是，人体内还有一个与NADK功能相似、但定位不同的“兄弟”基因——线粒体NAD激酶（NADK2）。在酵母中，科学家们已经发现不同的NAD激酶之间存在合成致死关系，即同时失活两个基因会导致细胞死亡，而只失活一个则安然无恙。然而，在更为复杂的人类细胞中，NADK和NADK2这对兄弟究竟是各自为政，还是互为备份？对于那些因1p36缺失而不幸丢失了NADK基因的肿瘤细胞，NADK2是否成为了它们赖以生存的唯一“救命稻草”？这成为了一个悬而未决的科学谜题，其答案可能指向一个全新的癌症治疗靶点。
为了解决这些问题，来自第一三共株式会社的研究团队Saki Suyama-Banjo等人开展了一项深入的研究。他们首先利用癌症基因组图谱（TCGA）数据库进行大数据挖掘，发现NADK基因确实在多种肿瘤类型中与CHD5、TP73等抑癌基因一起发生了深度缺失，1p36区域杂合性缺失的发生率高达约36.5%。这证实了NADK是一种伴随抑癌基因丢失而发生的“附带损失”。
为了验证NADK与NADK2在人细胞中是否存在功能冗余和合成致死关系，研究人员在表达这两个基因的HT-1080肉瘤细胞和AGS胃癌细胞中，使用小干扰RNA（siRNA）进行基因敲低。结果发现，单独敲低NADK或NADK2对细胞增殖几乎没有影响，但同时敲低两者则能显著抑制细胞生长，并强烈诱导 caspase-3/7 活性，触发细胞凋亡。机制上，双敲低显著降低了细胞内的NADP(H)水平，而单敲低则无此效应。这表明，在正常细胞中，NADK和NADK2是一对合成致死搭档，共同维持着细胞内NADP(H)的生命线。
那么，对于那些天生就缺失了NADK的肿瘤细胞，情况是否会更加严峻？研究人员利用CRISPR/Cas9技术构建了NADK基因敲除（KO）的HT-1080细胞。实验显示，在这些NADK-KO细胞中，仅仅敲低NADK2就足以显著抑制细胞增殖，并降低细胞内的NADP(H)水平。进一步的代谢追踪实验（使用d4-NAM）表明，在NADK-KO细胞中，全新的NADP合成已经高度依赖NADK2。这强有力地证明，NADK的缺失使得肿瘤细胞对NADK2产生了致命的依赖。
研究并未止步于完全敲除的模型。通过分析癌细胞系百科全书（CCLE）数据集，研究人员发现一些肿瘤细胞系存在NADK基因的杂合性缺失（即一个拷贝丢失）。他们检测了这些细胞的NADK酶活性，发现其活性确实低于正常细胞。随后，他们在WM-115、GOTO和NCI-H28这三个NADK杂合缺失的细胞系中进行实验，发现敲低NADK2同样能有效抑制这些细胞的增殖。这表明，不仅是NADK完全缺失的细胞，即便是NADK功能部分减弱的肿瘤细胞，也对NADK2抑制表现出了敏感性。
关键研究方法概览
本研究综合利用了生物信息学数据分析、基因功能缺失技术和细胞代谢分析。首先，基于TCGA和CCLE公共数据库，分析了NADK基因在泛癌种中的缺失情况。其次，运用siRNA介导的基因敲低技术，在多种人源肿瘤细胞系（HT-1080, AGS等）中研究单基因及双基因敲低效应；并利用CRISPR/Cas9技术构建了NADK基因敲除的等基因细胞系进行功能验证。核心表型检测包括CellTiter-Glo细胞增殖检测、Caspase-Glo 3/7凋亡检测、以及NAD/NADH-Glo和NADP/NADPH-Glo检测以量化细胞内辅酶水平。此外，还采用了稳定同位素标记（d4-NAM）结合LC/MS/MS，定量分析全新的NAD(P)合成通量；并通过体外酶活实验检测了细胞裂解液中的NADK激酶活性。
研究结果归纳
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2.1. 1p36，包括NADK基因，在多种肿瘤类型中缺失
通过分析TCGA数据集，发现NADK基因位于1p36肿瘤抑制基因座，并与CHD5、TP73等基因一起，在多种肿瘤类型中发生深度缺失。泛癌分析显示1p36区域杂合性缺失发生率约为36.5%，表明NADK的缺失是一种跨癌种的、伴随抑癌基因丢失的常见事件。
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2.2. NADK和NADK2的联合耗竭导致人细胞致死
在HT-1080和AGS细胞中，利用siRNA同时敲低NADK和NADK2，可显著抑制细胞增殖、强烈诱导caspase-3/7介导的凋亡，并显著降低细胞内NADP(H)水平；而单独敲低任一基因则对细胞增殖、凋亡和NADP(H)水平无显著影响。这证实了NADK与NADK2在人细胞中具有功能冗余性，并构成一对合成致死基因。
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2.3. NADK2在NADK敲除细胞中的必要性
在利用CRISPR/Cas9技术构建的NADK-KO HT-1080细胞中，单独敲低NADK2即可显著抑制细胞增殖、降低细胞内NADP(H)水平。代谢通量分析进一步显示，在NADK-KO细胞中，全新的NADP合成已严重受损，且进一步敲低NADK2会使其合成降至更低。这直接证明了NADK缺失的肿瘤细胞生存高度依赖NADK2。
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2.4. NADK酶活性低的细胞对NADK2单基因敲低敏感
在CCLE数据库鉴定的NADK杂合缺失细胞系（如WM-115、NCI-H28、GOTO）中，检测证实其NADK酶活性低于正常细胞。在这些细胞中敲低NADK2，同样能有效抑制细胞增殖。这表明，不仅是NADK完全缺失，即便是NADK功能部分减弱的肿瘤细胞，也对NADK2抑制具有脆弱性。
研究结论与意义
本研究的核心结论是：位于1p36的NADK基因在多种肿瘤中作为“附带损失”被删除，而NADK与其同源基因NADK2在人细胞中构成一对合成致死搭档，共同负责维持细胞内至关重要的NADP(H)库。因此，NADK基因的缺失（无论是纯合缺失还是杂合缺失导致的酶活降低）使得肿瘤细胞对NADK2产生绝对或相对的依赖性，使其成为致命的“阿喀琉斯之踵”。
这项研究具有重要的科学意义和转化医学价值。首先，它揭示了人体内NADP(H)代谢缓冲系统的一个核心机制，即NADK与NADK2的功能冗余。其次，它提出了一个基于肿瘤特异性基因缺失的精准治疗新策略：靶向NADK2可能选择性地杀死NADK缺失的肿瘤细胞，而对正常细胞影响较小，从而提供一个潜在的治疗窗口。最后，该研究将合成致死策略的应用范围扩展到了核心代谢酶领域，为开发针对NADK2的小分子抑制剂作为新型抗癌药物提供了坚实的理论依据。该论文已发表在《BBA Advances》期刊上，为利用“附带致死”原理开发下一代靶向疗法增添了新的重要篇章。
