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【Adv Sci】中南大学湘雅医院陶永光/刘双/石颖团队成果，NSD3抑制STAT3通路影响糖酵解进程而抑制肺腺癌的发生进展

文摘 2024-09-13 21:09 江苏

导读

在世界范围内，肺癌仍然是癌症相关死亡的主要原因。肺腺癌(LUAD)是一种常见的肺癌亚型，其发生率约占肺癌病例中的40%。为了满足肿瘤细胞的生长需要，能量代谢经常发生变化，其特点是即使在有氧条件下，肿瘤细胞也倾向于通过糖酵解获得ATP，这也被称为Warburg效应。组蛋白甲基转移酶NSD3位于8p11.2，能够促进H3K36位点的甲基化。既往研究已表明NSD3在大多数肿瘤中发挥了必要的表观遗传调控机制，但NSD3是否参与肺腺癌的发生发展尚不清楚。

针对以上问题，中南大学湘雅医院刘双/石颖共同通讯（周彦伶为第一作者）在Advanced Science在线发表题为“Histones Methyltransferase NSD3 Inhibits Lung Adenocarcinoma Glycolysis Through Interacting with PPP1CB to Decrease STAT3 Signaling Pathway”的研究论文，本研究明确了NSD3可以通过抑制STAT3通路影响肺腺癌的糖酵解进程从而抑制肺腺癌的发生发展。

主要内容&结果‍‍

研究表明，在肿瘤发生发展过程中，参与表观遗传修饰的酶常出现表达、缺失或突变等异常情况，从而通过影响促癌基因或抑癌基因的转录调控，参与肿瘤发生发展。组蛋白的甲基化修饰是最常见的表观遗传修饰之一，NSD3是核受体结合SET域蛋白（nuclear receptor-binding SET domain protein，NSD）家族成员，该家族共有NSD1、NSD2和NSD3 三名成员。定位于8p11.2的NSD3基因，所编码的HMT能特异性催化H3K36位点单、双甲基化（H3K36Me1/2）。

图1 敲除NSD3可以促进肺腺癌的进展‍

尽管现有研究揭露了NSD3在多数肿瘤中的作用，然而有关NSD3介导肺腺癌发生发展的机制研究仍未知。在本研究中，临床样本分析及肿瘤功能学实验证明，低表达的NSD3与肺腺癌患者不良预后正相关，并且NSD3能抑制肺腺癌的增殖、迁移、侵袭能力（图1）。

正常分化的细胞主要依靠线粒体的氧化磷酸化生成大量ATP提供能量，而大多数肿瘤细胞即使在有氧的情况下仍依赖糖酵解来提供能量和物质原料(即Warburg效应)。本研究通过ssGSEA算法计算了TCGA肺腺癌数据库中差异基因各通路富集评分，发现NSD3基因转录水平与HALLMARK GLYCOLYSIS（糖酵解）通路显著负相关。通过葡萄糖消耗量、乳酸生产量、qPCR及Western blot实验证明：NSD3可以通过调控HK2这一糖酵解限速酶的表达影响糖酵解进程（图2）。

图2 NSD3调控糖酵解进程

为进一步明确NSD3调控HK2的具体分子机制，本研究验证了NSD3表达情况对HK2上游转录因子（p-STAT3、p53、HIF-1α、c-Myc）的影响，结果表明，NSD3通过调控STAT3磷酸化进而影响HK2的转录与表达（图3）。

图3 NSD3通过调控STAT3磷酸化进而影响HK2的转录与表达

因NSD3自身并不具有已知的蛋白激酶或磷酸酶功能，不能直接调控STAT3的磷酸化，本研究推测，NSD3可能通过另外的蛋白激酶或磷酸酶来影响STAT3磷酸化。通过免疫沉淀（IP）结合飞行质谱（MS-TOF）技术，在肺腺癌细胞中找到一个与NSD3相互作用的PTP：磷酸蛋白磷酶-1CB（phosphoprotien phosphatase 1CB, PPP1CB）。

进一步通过IP实验证明：NSD3与PPP1CB及p-STAT3能够形成蛋白三聚体，NSD3通过结合蛋白磷酸酶PPP1CB间接调控STAT3磷酸化，从而影响STAT3对HK2基因表达和肺腺癌细胞糖酵解的调控（图4）。进一步，我们发现NSD3过表达能够促进这一蛋白三聚体的结合，促进PPP1CB对p-STAT3的去磷酸化功能，但NSD3并不能影响PPP1CB的蛋白丰度。

图4 NSD3通过与PPP1CB结合调控STAT3磷酸化

同时，本研究创新性地证明了培养环境中CO2浓度及pH值能影响PPP1CB的去磷酸化酶活性，PPP1CB蛋白中A56P、E183A和D252Y位点的突变能够导致其磷酸酶功能失活（图5）。

图5 PPP1CB的酶功能与二氧化碳浓度以及pH值相关

因此，本研究聚焦于NSD3在肺腺癌的发展中的非表观遗传调节作用，并提示NSD3能够成为肺腺癌治疗中的一个潜在靶点。

研究结论&意义

综上所述，本研究表明在正常肺腺上皮细胞中，NSD3可能通过结合PPP1CB和p-STAT3形成蛋白三聚体，稳定和促进PPP1CB对p-STAT3的去磷酸化作用，从而维持STAT3在细胞内的低活化水平。然而在肺腺癌细胞中，NSD3水平下降，其与PPP1CB的结合对磷酸化的STAT3去磷酸化的作用也随之下降，从而使STAT3维持在高磷酸化（p-STAT3）水平的活化状态，启动下游靶基因HK2等糖酵解基因表达，促进肺腺癌细胞的恶性转化，推动肺腺癌发生发展。

通过本项目的研究，将明确表观遗传调控糖酵解的具体分子机制，并进一步分析NSD3对肿瘤进展的影响，同时为肺腺癌的精准治疗提供了新的分子靶点，对提高肿瘤患者药物敏感性研究提供理论支撑，并为患者的个性化治疗提供新方案。

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