細胞代謝失調(diào)是癌癥的重要特征之一。脂肪酸和脂質(zhì)作為關(guān)鍵的信號因子、能量來源和細胞膜組成成分，在細胞增殖中具有關(guān)鍵作用。然而，迄今為止，在肝癌的治療中靶向脂質(zhì)合成的臨床進展有限。
2022年4月21日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所樸海龍團隊、許國旺團隊和大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院譚廣團隊合作在Nature Communications (IF 14.919)雜志上發(fā)表了題為“USP22 regulates lipidome accumulation by stabilizing PPARγ in hepatocellular carcinoma”的研究成果，通過對肝癌及癌旁組織進行非靶向代謝組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)泛素特異性蛋白酶22(USP22)與脂質(zhì)合成異常上調(diào)密切相關(guān)，并進一步通過同位素示蹤、免疫共沉淀、腫瘤異種移植等證實USP22通過去泛素化并穩(wěn)定脂肪酸合成關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子PPARγ的表達，進而上調(diào)脂肪酸從頭合成并促進腫瘤發(fā)生。
研究材料
肝癌和癌旁組織；人肝癌細胞；異種移植腫瘤模型
技術(shù)路線
· 步驟1：HCC脂質(zhì)代謝異常與USP22顯著相關(guān)；
· 步驟2：USP22促進HCC細胞脂質(zhì)積累；
· 步驟3：USP22通過與PPARγ相互作用調(diào)控ACC和ACLY轉(zhuǎn)錄；
· 步驟4：USP22通過PPARγ上調(diào)ACC和ACLY參與HCC腫瘤發(fā)生；
· 步驟5：USP22-PPARγ/ACC/ACLY與肝癌預(yù)后不良顯著相關(guān)。
研究結(jié)果
1. HCC脂質(zhì)代謝異常與USP22顯著相關(guān)
作者采用非靶向代謝組學(xué)方法對HCC的癌和癌旁組織進行分析，發(fā)現(xiàn)與癌旁組織相比，癌組織中共有47個代謝物發(fā)生了顯著改變，其中上調(diào)代謝物主要是脂質(zhì)和類脂分子（22/26）。KEGG通路分析表明癌組織中的差異代謝物主要參與脂質(zhì)生物合成。進一步對癌和癌旁組織中的泛素特異性蛋白酶(USPs)進行分析，發(fā)現(xiàn)USP22表達最高，且與脂質(zhì)和類脂分子上調(diào)顯著相關(guān)，表明USP22可能參與HCC癌組織中的脂質(zhì)生物學(xué)合成。
圖1 高表達USP22的HCC脂質(zhì)代謝異常
2. USP22 促進HCC細胞脂質(zhì)積累
作者分別構(gòu)建了USP22敲低和過表達細胞系，通過代謝組學(xué)分析共獲得53個差異代謝物，其中34個代謝物表達趨勢相反，主要參與脂肪酸合成途徑。采用代謝流分析脂肪酸的合成過程，發(fā)現(xiàn)USP22敲低細胞中棕櫚酸和硬脂酸標(biāo)記顯著降低，而過表達細胞中標(biāo)記顯著增加。并且USP22過表達細胞中甘油三酯顯著增加。表明USP22在肝細胞脂質(zhì)含量積累中發(fā)揮關(guān)鍵作用，并可能促進肝細胞中脂肪酸的從頭合成。進一步通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)、qPCR和WB分析發(fā)現(xiàn)USP22可以通過脂肪酸合成關(guān)鍵酶ACC和ACLY的轉(zhuǎn)錄上調(diào)促進脂肪酸從頭合成從而積累脂肪酸。
圖2 USP22通過ACC和ACLY的轉(zhuǎn)錄上調(diào)促進脂質(zhì)積累
3. USP22通過與PPARγ相互作用調(diào)控ACC和ACLY轉(zhuǎn)錄
作者通過IP-MS發(fā)現(xiàn)USP22的潛在底物PPARγ——脂質(zhì)代謝轉(zhuǎn)錄因子。此外，在MHCC-97L、HUH7、HepG2、SNU449和Bel-7402細胞中同樣發(fā)現(xiàn)了USP22的靶蛋白PPARγ。體外pull down實驗再次驗證了USP22與PPARγ的直接相互作用。免疫熒光染色結(jié)果顯示USP22和PPARγ主要定位于肝癌細胞的細胞核。
圖3 USP22與脂質(zhì)代謝關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子PPARγ相互作用
接著，作者進一步通過去泛素化實驗發(fā)現(xiàn)，USP22敲低細胞中PPARγ多泛素化水平顯著升高，而USP22過表達細胞中PPARγ去泛素化作用增強。體外實驗也證明USP22可以顯著促進PPARγ去泛素化。并且賴氨酸-169可能是USP22調(diào)控PPARγ去泛素化的重要位點。
圖4 USP22的去泛素化作用
4. USP22通過PPARγ上調(diào)ACC和ACLY參與HCC腫瘤發(fā)生
敲低PPARγ或ACC后，葡萄糖示蹤劑對脂肪酸的標(biāo)記顯著降低；而回補PPARγ顯著增加了USP22敲低細胞中脂肪酸標(biāo)記。此外，油紅染色也證實了TG的積累趨勢。表明USP22通過穩(wěn)定PPARγ上調(diào)脂肪酸的生物合成。
進一步進行異種移植瘤分析，發(fā)現(xiàn)過表達USP2的小鼠腫瘤更大；而同時過表達USP22并敲除PPARγ、ACC或ACLY的小鼠腫瘤生長速度較慢。過表達USP22的腫瘤中PPARγ、ACC和ACLY表達上調(diào)；過表達PPARγ可以恢復(fù)USP22敲低細胞中ACC和ACLY的表達。表明過表達USP22可以通過PPARγ介導(dǎo)的ACACA和ACLY的表達激活體內(nèi)脂肪酸信號的從頭合成。
圖5 USP22通過PPARγ上調(diào)ACC和ACLY參與HCC的腫瘤發(fā)生
5. USP22-PPARγ/ACC/ACLY與肝癌預(yù)后不良顯著相關(guān)
IHC分析顯示肝癌TMAs中USP22的表達與PPARγ、ACC或ACLY的表達呈正相關(guān)。并且USP22或PPARγ水平較高的患者總生存期較短；USP22和PPARγ水平均高的患者總體生存期更差。進一步利用TCGA數(shù)據(jù)集明確了USP22、PPARγ、ACC和ACLY的高表達與HCC患者不良預(yù)后的顯著相關(guān)性。
圖6 USP22-PPARγ/ACC/ACLY軸與肝癌預(yù)后顯著相關(guān)
小編小結(jié)
本研究作者利用轉(zhuǎn)錄組、代謝組和IP-MS等方法，發(fā)現(xiàn)USP22是脂肪酸從頭合成的關(guān)鍵調(diào)控因子，通過直接與PPARγ相互作用介導(dǎo)ACLY/ACC的表達調(diào)控脂肪酸從頭合成。此外，在臨床HCC樣本中發(fā)現(xiàn)USP22的高表達與PPARγ、ACLY或ACC的表達呈正相關(guān)，并與不良預(yù)后相關(guān)。本研究為HCC預(yù)后風(fēng)險評估和基于靶向脂質(zhì)合成的治療提供了理論基礎(chǔ)。
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