O-GlcNAc糖基化调控TOP2A酶活性及乳腺癌化疗耐药机制

    DNA拓扑异构酶IIα（TOP2A）是一种控制DNA拓扑结构并调节DNA复制和基因表达的关键酶。作为重要的抗肿瘤药物靶点，TOP2A广泛参与多种肿瘤化疗耐药的形成[1]。大连理工大学刘宇博、张嘉宁团队此前在染色质结合的O-GlcNAc糖蛋白定量质谱分析中发现，TOP2A在乳腺癌细胞MCF-7及其阿霉素耐药株MCF-7/ADR中可能存在O-GlcNAc糖基化修饰，且修饰水平伴随耐药性增强[2]。

    2023年5月，刘宇博、张嘉宁团队在EMBO Reports上发表题为“O-GlcNAcylation boosts topoisomerase IIα catalytic activity in breast cancer chemoresistance”的研究论文，揭示了TOP2A的O-GlcNAc修饰在乳腺癌细胞和患者肿瘤组织中的重要作用，并进一步解析了糖基化TOP2A调控乳腺癌化疗耐药的相关机制（图1）[3]。

图1. S1469的O-GlcNAc修饰增强TOP2A酶活性

    论文对乳腺癌临床样本的mRNA和蛋白表达谱分析发现，TOP2A在乳腺癌组织中随肿瘤进展表达升高，且与肿瘤组织中全细胞O-GlcNAc修饰水平和患者预后不良呈正相关。进一步在阿霉素敏感和耐药乳腺癌细胞中发现，耐药细胞中的TOP2A能与更多的OGT发生互作，并因此具有更多的O-GlcNAc修饰。O-GlcNAc修饰位点质谱分析显示，耐药细胞中TOP2A的O-GlcNAc修饰主要位于C端核定位信号区域的Ser1469位。位点突变分析证实位点特异性O-GlcNAc修饰能够促进TOP2A的磷酸化修饰和核定位。对TOP2A酶活性分析结果显示，糖基化的TOP2A具有良好的超螺旋质粒解旋酶活性。糖基化位点突变或使用O-GlcNAc修饰抑制剂能够明显减弱TOP2A解旋酶活。利用kDNA的解连锁酶活检测获得了一致的结论，提示O-GlcNAc修饰对TOP2A酶活性有重要影响。

    糖基化的TOP2A在阿霉素的作用下依然具有很强的解超螺旋和解连锁活性，而糖基化位点突变后，阿霉素的作用显著抑制了TOP2A的酶活性，这提示糖基化可能改变了TOP2A与DNA形成的剪切中间体的结构，使得阿霉素丢失了作用靶点，因此TOP2A的糖基化是乳腺癌细胞阿霉素耐药原因之一，能够显著促进乳腺癌细胞的增殖和周期进展。体内、体外相关机制分析结果表明，TOP2A的O-GlcNAc修饰能够增强其与DNA结合，增强其与CDK1、UPF1等周期关键因子的互作，进而改变下游多个周期调控因子的表达水平，最终导致耐药乳腺癌细胞的增殖和周期进展加速。 

图2. TOP2A的O-GlcNAc修饰在乳腺癌细胞化疗耐药中的作用机制图

    TOP2A的O-GlcNAc糖基化可通过增强其酶活性，降低阿霉素对TOP2A的抑制作用，加速细胞增殖和周期进程，最终导致化疗药耐药的发生（图2）。这项研究揭示了O-GlcNAc修饰调控TOP2A功能以及乳腺癌耐药的分子机制，为肿瘤耐药研究和治疗提供了潜在新靶点。

    论文共同第一作者为大连理工大学生命科学与药学学院博士生刘阳芷和硕士生于恺然，张嘉宁教授、刘宇博副教授和中国科学院大连化学物理研究所的吴思晋副研究员为共同通讯作者。

参考文献 

1. Pommier Y, Nussenzweig A, Takeda S, Austin C (2022) Human topoisomerases and their roles in genome stability and organization. Nat Rev Mol Cell Biol 23: 407 – 427.

2. Liu, Y., Chen, Q., Zhang, N., Zhang, K., Dou, T., Cao, Y., ... & Zhang, J. (2020). Proteomic profiling and genome-wide mapping of O-GlcNAc chromatin-associated proteins reveal an O-GlcNAc-regulated genotoxic stress response. Nature communications, 11(1), 5898.

3. Liu, Y., Yu, K., Zhang, K., Niu, M., Chen, Q., Liu, Y., ... & Liu, Y. (2023). O‐GlcNAcylation promotes topoisomerase IIα catalytic activity in breast cancer chemoresistance. EMBO reports, e56458.

染色质结合的OGT通过激活ZNF263促进肝细胞癌的恶性进展    

     肝细胞癌（HCC）约占原发性肝癌的85%以上，具有高发病率、高死亡率特征，治疗难度极高。由于HCC早诊率低，中晚期患者多存在局部及远端转移灶，导致术后易复发转移，严重影响患者预后[1]。因此，揭示HCC侵袭转移的发生机制不仅能为阐明肿瘤演进机制提供理论基础，而且对肝癌防治和改善预后具有实际意义。

    大连理工大学张嘉宁教授团队前期研究证实，O-连接的N-乙酰氨基葡萄糖（O-GlcNAc）转移酶（OGT）在临床高等级HCC肿瘤组织表达显著上调，并与患者预后相关[2,3]。在具有高迁移和侵袭潜能HCC细胞中获得一致的结论，这提示OGT参与调节HCC转移过程，但相关机制不明。2023年6月，张嘉宁教授团队在Oncogene杂志在线发表题为“Chromatin-associated OGT promotes the malignant progression of hepatocellular carcinoma by activating ZNF263”的研究论文，报道了OGT调控基因组中的顺式元件并发挥转录功能，增强HCC转移-侵袭表型的分子机制[4]。  

图1 ZNF263与OGT协同调控HCC恶性表型

    该研究中，作者发现HCC细胞中异常高表达的OGT通过协同调控多种肿瘤恶性表型相关基因的转录活性，从而在体外和体内促进HCC的转移、侵袭潜能。对比低转移HCC细胞，高转移性的HCC细胞中，OGT招募多种转录调控因子，塑造了全基因组范围内OGT与染色质顺式元件的协同关系。此外，作者发现ZNF263与OGT之间存在决定HCC恶性转化的协作关系，对于激活HCC细胞中侵袭、转移相关基因的转录至关重要。该研究进一步揭示了OGT催化的ZNF263 Ser662位点O-GlcNAc修饰对ZNF263全基因组范围定位于染色质靶基因启动子区具有关键作用，这是OGT与ZNF263协同调控的HCC恶性表型的重要机制（图1）。

图2 OGT调控基因组中的顺式元件并发挥转录功能，增强HCC转移-侵袭表型的分子机制

    以上结果揭示了OGT酶活性依赖的全基因组转录调控功能（图2）。通过与不同的转录调控因子互作并将其修饰，OGT参与调控ZNF263等转录因子活性，影响染色质活性区域的构成和分布，进而在组学层面调控下游靶基因表达，最终塑造HCC迁移、侵袭等恶性表型。这些结果不仅确认了异常OGT活性和ZNF263的O-GlcNAc修饰在HCC的恶性进展中的重要作用，还为将OGT作为治疗HCC的潜在靶点提供了实验证据支持。

    论文第一作者为大连理工大学生命科学与药学学院博士生王玲燕，大连理工大学张嘉宁教授、刘宇博副教授和深圳晶泰科技有限公司的吴思晋博士为共同通讯作者。 

参考文献 

1. Llovet JM, Castet F, Heikenwalder M, Maini MK, Mazzaferro V, Pinato DJ, et al. Immunotherapies for hepatocellular carcinoma. Nat Rev Clin Oncol. 2022;19:151–72.

2. Huang H, Wu Q, Guo X, et al. O‐GlcNAcylation promotes the migratory ability of hepatocellular carcinoma cells via regulating FOXA2 stability and transcriptional activity[J]. Journal of Cellular Physiology, 2021, 236(11): 7491-7503.

3. Huang H, Wang Y, Huang T, et al. FOXA2 inhibits doxorubicin-induced apoptosis via transcriptionally activating HBP rate-limiting enzyme GFPT1 in HCC cells[J]. Journal of physiology and biochemistry, 2021, 77: 625-638.

4. Wang, L., Li, G., Zhou, Z. et al. Chromatin-associated OGT promotes the malignant progression of hepatocellular carcinoma by activating ZNF263. Oncogene (2023).

https://doi.org/10.1038/s41388-023-02751-1