来源：丁香学术
Warburg 效应是癌症的关键性标志之一：癌细胞倾向于以厌氧方式而不是有氧方式代谢葡萄糖，这会导致厌氧糖酵解的最终产物乳酸（Lacate）在癌细胞中大量积累。乳酸不仅是肿瘤细胞代谢过程中的产物，还通过多种机制促进肿瘤的生长和扩散。肿瘤细胞可产生大量乳酸，为的是在 DNA 断链后，能迅速「自救」。已有研究发现，乳酸能够作为能量底物支持肿瘤细胞的生存，激活关键信号通路，促进肿瘤细胞的侵袭、转移、血管生成以及免疫逃逸。学术界普遍认为，放疗和大多数化疗药物的主要目的是直接或间接引起 DNA 损伤，导致细胞死亡。然而，目前关于癌症代谢如何影响化疗反应和 DNA 修复以及是否与乳酸代谢存在联系仍然不够明晰。
近日，来自中山大学附属第七医院的何裕隆/张常华教授研究团队联合中山大学孙逸仙纪念医院的尹东教授团队在 Nature 在线发表研究。该研究发现， NBS1 乳酸化在 DNA 修复过程中能够发挥重要作用，并且能够促进同源重组修复过程。研究强调，NBS1 乳酸化是 DNA 修复中所必须的，并且能够促进同源重组（homologous recombination, HR）介导的修复过程。除此之外，该研究还发现乳酸能够增强 HR 修复来提高肿瘤细胞对化疗药物的耐药性。总体来说，该研究确定了 NBS1 乳酸化是基因组稳定性的关键机制，同时强调了抑制乳酸生成将有望成为一种有前途的癌症治疗策略！
图 1 相关研究（图源：Nature）
乳酸促进 HR 介导的 DNA 修复
乳酸是通过何种途径介导的 DNA 修复的？为了探究该科学问题，研究人员分析了 DNA 损伤反应的代谢特征，通过结合蛋白质组学和非靶向代谢组学分析，对接受铂类新辅助化疗（neoadjuvant chemotherapy, NAC）的患者的术后胃癌标本进行了分析。其中，入组患者中有 9 例对铂类 NAC 敏感，另外 15 例则为耐药患者（图 2a）。研究结果表明，乳酸脱氢酶 A（lactate dehydrogenase A, LDHA）作为催化丙酮酸转化为乳酸的糖酵解酶，是耐药肿瘤中上调最高的蛋白质之一（图 2b）。同时，乳酸也是耐药肿瘤中最丰富的代谢物之一（图 2c）。除此之外，研究人员还发现厌氧糖酵解途径在耐药肿瘤中被激活（图 2d）。值得注意的是，乳酸能够显著提高 HR 修复效率，但仅略微提高了非同源末端连接（non-homologous end-joining, NHEJ）修复效率（图 2m）。总的来说，上述研究结果表明乳酸主要参与了 HR 介导的 DNA 修复。
图 2 乳酸增强 DNA 修复和抵抗 DNA 损伤治疗（图源：Nature）
NBS1 乳酰化促进 MRN 复合物形成
NBS1 促进 MRE11–RAD50–NBS1（MRN）复合物形成的途径和机制是什么呢？为了探究该科学问题，研究人员分析了 NBS1 K388 乳酰化在 DNA 损伤治疗反应中的作用。研究结果表明，与 AGS-P 细胞相比，AGS-NBS1（K388R）细胞在顺铂或电离辐射（ionizing radiation, IR）处理后细胞活力降低，且细胞凋亡增加。此外，乳酸不能促进 AGS-NBS1（K388R）细胞的顺铂或 IR 耐药性，这也表明乳酸诱导的顺铂或 IR 耐药性依赖于 NBS1 K388 乳酰化（图 3a），这也表明了 NBS1 乳酰化在 DNA 损伤反应中的潜在作用。除此之外，野生型 NBS1 的过表达显著提高了 HR 修复效率，而 NBS1（K388R）的过表达对 HR 修复效率没有显著影响（图 3c），这也表明了 NBS1 具有负责激活 HR 修复的功能。另外，乳酸能够促进 AGS-P 细胞中 MRE11-RAD50 和 NBS1 之间的相互作用（图 3f），且乳酸也加速了野生型 NBS1 向 DSB 位点的募集（图 3i）。总体而言，这些数据表明 NBS1 乳酰化促进 MRN 复合物的形成和 HR 蛋白向双链断裂（double-strand breaks, DSBs）位点的募集。
图 3 NBS1 K388 乳酰化通过促进 MRN 复合物的形成并促进 DNA 修复（图源：Nature）
乳酸剥夺会破坏 DNA 修复
乳酸剥夺会对 DNA 修复造成何种影响呢？研究人员推测抑制乳酸代谢会破坏 DNA 修复，为了验证该假说，研究人员通过实验发现 LDHA 敲低会导致 AGS-P 细胞的 DNA 修复缺陷，而 AGS-NBS1（K388R）细胞则没有出现类似情况。这也表明，LDHA 可抑制 NBS1 K388 乳酸化并破坏 DNA 修复。为了进一步验证该结果，研究人员以司替戊醇（Stiripentol）在临床上用作抗癫痫治疗未为例开展了研究试验。为探明司替戊醇是否会使耐药性癌症对 DNA 损伤治疗敏感，研究人员从初次化疗的胃癌患者中建立了五种患者衍生的类器官（patient-derived organoids, PDOs），并测试了它们的顺铂敏感性。与 PDO1-3 相比，PDO4 和 PDO5 对顺铂具有内在耐药性。因此，研究人员进一步分析了 PDO4 和 PDO5，结果发现司替戊醇和顺铂的组合在 PDO4 和 PDO5 中具有高度协同作用（图 4a）。另外，在携带 MGC803-R 异种移植物或化疗耐药胃癌 PDX（PDX-R）的 NSG 小鼠中，司替戊醇和顺铂或 IR 联合使用也引起明显的肿瘤消退（图 4b，c）。此外，司替戊醇和顺铂或 IR 联合使用也延长了携带 PDX-R 的 NSG 小鼠的存活时间（图 4d，e）。免疫组织化学（Immunohistochemistry, IHC）分析结果显示，在 NAC 耐药肿瘤中，LDHA 和 NBS1 K388 乳酸化量增加（图 4f）。另外，LDHA 与 NBS1 K388 乳酸化呈正相关（图 4 g）。NBS1、K388 乳酰化和 LDHA 水平高的患者总生存率远低于 NBS1、K388 乳酰化和 LDHA 水平低的患者（图 4 h）。总体来看，这些结果表明 LDHA 表达和 NBS1 K388 乳酸化与 NAC 的临床耐药性相关。
图 4 Stiripentol 克服了对 DNA 损伤治疗的耐药性，并且 NAC 耐药肿瘤中 LDHA 表达和 NBS1 K388 乳酰化增加（图源：Nature）
总体而言，该研究强调了 NBS1 乳酸化在 DNA 修复中起着重要作用，并能促进同源重组修复过程。同时，乳酸还能增强同源重组修复，从而提高肿瘤细胞对化疗药物的耐药性。这些发现有助于深入了解肿瘤细胞的 DNA 修复机制，将为开发新的治疗策略和提高化疗疗效提供重要的理论基础。总的来说，这项研究对于深入理解肿瘤细胞的 DNA 修复机制、探索新的治疗途径以及提高化疗疗效具有重要的研究意义，有望为肿瘤治疗领域的进展和创新做出贡献！
通讯作者：
何裕隆，教授、博士生导师、主任医师，现任中山大学附属第七医院院长。从事普通外科专业 30 余年，长期致力于胃癌外科的基础与临床研究，率先在国内开展和推广胃癌标准化、脉络化、立体化淋巴结清扫及胃癌扩大淋巴结清扫，进展期胃癌患者根治术后 5 年生存率超过 60%，治疗效果达到国际先进水平。中国核心期刊《消化肿瘤杂志（电子版）》总编和《中华胃肠外科杂志》副主编，Digestive Medicine Research 主编。2014-2019 年度连续 6 年爱思唯尔（医学领域）中国高被引学者、连续 4 届中国名医百强榜-百强名医。主持参与国家自然科学基金、教育部基金项目、广东省自然科学基金重点项目、广东省自然科学基金数十项，参与 211 工程、985 工程等多项重大科研项目。在包括 Cancer Research 等国内外知名杂志发表论文 600 余篇。
尹东，博士、研究员、博士生导师，现任中山大学孙逸仙纪念医院医学研究中心主任、分子诊断中心副主任。1998 年东北师范大学遗传所获博士学位，随后 2 年在北京大学作博士后。2000-2005 年到美国加州大学洛杉矶分校医学院（UCLA）Cedars-Sinai 医学中心（CSMC）从事肿瘤学研究工作，并于 2005 年和 2011 年晋升为研究员/助教授和副教授。2011 年底，中山大学人才引进回国，现任研究员和中山大学孙逸仙纪念医院医学研究中心主任、博士生导师。多年来主要研究方向为肿瘤学；肿瘤基因组学和肿瘤分子遗传学；癌症相关基因及其表达调控；抗肿瘤小分子药物机理；肿瘤表观遗传学；肿瘤分子分型与分子诊断。先后在 Proc Natl Acad Sci USA，Cancer Research，Leukemia，OncogeneMolecular Cancer Research, International Journal of Cancer 等国际知名的肿瘤学学术期刊上发表 SCI 研究论文 40 余篇，其中 17 篇第一作者和/或通信作者论文。
张常华，博士、教授、主任医师。主要从事胃肠肿瘤微创外科治疗和个体化靶向治疗、家族性遗传性胃肠肿瘤的诊治的研究，重点在肿瘤浸润和转移的信号通路、胃癌治疗新靶点、免疫治疗、类器官、人工智能在胃肠肿瘤诊治中的应用研究、临床营养的基础研究。在 Clinical Cancer Research、Oncogene、Cancer Letters 等国内外知名杂志发表论文 200 余篇，其中 SCI 论文 68 篇，广东省科技进步奖一等奖 1 项和广东省科技进步奖二等奖 1 项。主编《胃癌知识知多少》和副主编《胃癌淋巴转移》。主持参与各类基金 36 项，其中主持国家自然科学基金项目 2 项、广东省自然科学基金项目 1 项和省科技厅科技计划项目 2 项、国家教育部 2 项、广东省教育厅 3 项。
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参考资料：
Chen HX, Li Y, Li HF, et al. NBS1 lactylation is required for efficient DNA repair and chemotherapy resistance. Nature. 2024.