糖尿病是一種非常復(fù)雜的以高血糖為特征的代謝綜合疾病，常伴有嚴重的、有生命危險的并發(fā)癥。既往的流行病學研究顯示，糖尿病會增加患癌風險。而高血糖可能是導(dǎo)致糖尿病與癌癥相關(guān)性的最主要因素。不過，研究人員尚不清楚這種相關(guān)性背后的分子機制，也不清楚高血糖如何誘導(dǎo)遺傳或表觀遺傳的變化，并最終引發(fā)癌癥。

       DNA去甲基化酶——TET家族蛋白是最近10年來表觀遺傳領(lǐng)域最受關(guān)注的明星蛋白之一，哺乳動物中包括TET1/2/3三個成員，其中TET2因為與一些包括腫瘤在內(nèi)的疾?。ū容^突出的是白血病患者中TET2基因的突變頻率較高【1】）發(fā)生發(fā)展相關(guān)而受到廣泛關(guān)注，此外，某些腫瘤中TET2介導(dǎo)的DNA去甲基化產(chǎn)生的5hmC水平還可以作為一種標志物（2012年，石雨江課題組在Cell報道了5hmC的變化與黑色素瘤的發(fā)生發(fā)展直接關(guān)聯(lián)）【2,3】。 

       TET蛋白是一類依賴于 Fe(II)和 α- 酮戊二酸的雙加氧酶，而α- 酮戊二酸（α-KG）是一種代謝產(chǎn)物，那么可以想象TET是可以受到細胞內(nèi)的代謝水平調(diào)控。事實上過去就有研究表明當異檸檬酸脫氫酶IDH突變時會導(dǎo)致其催化產(chǎn)物從α-KG變成了2-羥基戊二酸（R-2HG），進而能夠抑制Fe(II)/α-KG依賴雙加氧酶的活性（相關(guān)工作是由熊躍、管坤良和趙世民組成的合作團隊2011年發(fā)表在Cancer Cell，目前總被引次數(shù)超過1400次）【4】。除此之外，由于維生素C可以作為電子供體將鐵離子維持在二價狀態(tài)，因此，維C也是可以通過影響Fe(II)進而調(diào)控TET的活性，去年多篇文章都聚焦維C通過調(diào)控TET2來影響白血病的治療【5-6】。那么從代謝水平來看，除了間接通過影響Fe(II)或者α-KG來調(diào)控TET的活性之外，還有其它的形式嗎？另外，從TET蛋白自身來看，盡管它的重要性不言而喻，但是TET具體是如何被調(diào)控的，目前還所知甚少。

       北京時間7月19日凌晨，復(fù)旦大學生物醫(yī)學研究院石雨江教授課題組在Nature上在線發(fā)表了題為Glucose-regulated phosphorylation of TET2 by AMPK reveals a pathway linking diabetes to cancer的論文，揭示了由能量感受器AMPK介導(dǎo)的TET2磷酸化通路在連接糖尿病與癌癥過程中的重調(diào)作用及其相關(guān)分子機制，還從表觀遺傳的角度闡述了“神藥”二甲雙胍在抑制腫瘤中的作用機理。此外，該研究提供了一個模型表明有害環(huán)境是如何直接將表觀組重編程為致癌狀態(tài)，提供了一個潛在的癌癥治療策略。

      石雨江教授課題長期從事TET蛋白相關(guān)功能研究，在相關(guān)研究領(lǐng)域曾做出過重大貢獻。在這項研究中，研究人員從代謝及其相關(guān)疾病的角度出發(fā)，提出科學問題——糖尿病患者的高血糖狀態(tài)是否會影響TET催化的DNA去甲基化產(chǎn)物5hmC水平的變化。圍繞這一問題，研究人員通過比較正常人與糖尿病患者基因組上整體5hmC的水平（搜集外周血單核細胞的DNA檢測），結(jié)果發(fā)現(xiàn)糖尿病患者體內(nèi)的5hmC水平顯著低于正常人，但是5mC的整體水平?jīng)]有顯著差異。然后在細胞水平通過在高糖或低糖（葡萄糖）培養(yǎng)狀態(tài)下檢測細胞內(nèi)整體5hmC水平，進一步表明了高糖狀態(tài)導(dǎo)致低5hmC水平。 

      我們知道，TET1/2/3都能夠介導(dǎo)DNA去甲基化產(chǎn)生5hmC，但是由于TET1和TET3通常在普通細胞以及腫瘤細胞中檢測不到，故在疾病相關(guān)研究中通常聚焦在TET2蛋白上。首先，研究人員圍繞TET2發(fā)現(xiàn)，細胞在高糖狀態(tài)下，TET2的表達量顯著降低，進一步發(fā)現(xiàn)是由于TET2的蛋白水平而非mRNA水平發(fā)生了變化，也就是說，TET2在高糖狀態(tài)下其蛋白半衰期顯著降低。隨后，研究人員通過TET2酶活缺失突變體證明了TET2的酶活是葡萄糖影響5hmC水平所必須的，進一步通過甲基化/羥甲基化DNA免疫共沉淀測序技術(shù)發(fā)現(xiàn)，受葡萄糖水平影響的5hmC富集區(qū)域的基因與腫瘤以及腫瘤相關(guān)的通路密切相關(guān)。那么葡萄糖通過什么方式調(diào)控了TET2呢？

      AMPK作為細胞內(nèi)重要能量的感受器，能夠感知體內(nèi)葡萄糖的水平，并且高度敏感【7】。由于AMPK是眾所周知的一類強大的激酶，那么很容易會問TET2是否能被AMPK磷酸化。研究人員首先通過TET2的氨基酸序列分析發(fā)現(xiàn)了兩個潛在AMPK催化位點，然后通過體外激酶實驗結(jié)合質(zhì)譜的手段發(fā)現(xiàn)TET2上的S99號位能夠被AMPK磷酸化，而另一個預(yù)測的磷酸化位點基本不受AMPK的影響。

    AMPK的活性會根據(jù)細胞內(nèi)葡萄糖水平的變化迅速發(fā)生變化，當細胞處于低糖培養(yǎng)條件下AMPK會被迅速激活。前面已經(jīng)知曉了在低糖條件下，TET2蛋白水平會顯著下調(diào)，那么是否是因為AMPK被激活后磷酸化TET2導(dǎo)致的呢？進一步發(fā)現(xiàn)，細胞處于低糖狀態(tài)下激活A(yù)MPK后然后磷酸化TET2的S99位導(dǎo)致的，最終影響了TET2蛋白的穩(wěn)定性。關(guān)于TET2蛋白穩(wěn)定性的問題，早在2012年哈佛大學張毅教授實驗室研究發(fā)現(xiàn)TET的蛋白穩(wěn)定性受calpains（一種胞內(nèi)半胱氨酸蛋白酶,主要由胞內(nèi)鈣離子濃度的升高所激活）所調(diào)控【8】，而過去有研究表明蛋白質(zhì)磷酸化后能夠保護其不受calpains的切割，因此，也就是說細胞處于低糖狀態(tài)后AMPK磷酸化TET2使之變得更穩(wěn)定，細胞內(nèi)5hmC水平上升，反之細胞處于高糖狀態(tài)下TET磷酸化收到抑制變得不穩(wěn)定，細胞內(nèi)5hmC水平下降，這正好吻合了最初觀測到糖尿病人體內(nèi)5hmC水平較低的現(xiàn)象。

       在明確了相關(guān)分子機制后，研究人員從生物學意義的角度出發(fā)，通過腫瘤模型以及AMPK的激活劑二甲雙胍證明了二甲雙胍抑制腫瘤的效果是通過AMPK–TET2–5hmC通路實現(xiàn)的。

       總得來說，該研究首次發(fā)現(xiàn)了TET2蛋白上的磷酸化修飾在調(diào)控細胞內(nèi)5hmC的重要作用，并且找了TET2上游的關(guān)鍵調(diào)控因子AMPK。從臨床疾病的角度來講，盡管有研究表明糖尿病與癌癥風險增加密切相關(guān)【9】，但是這種關(guān)聯(lián)背后的分子基礎(chǔ)并不清楚，該研究一定程度上從表觀遺傳的角度解釋了糖尿病患者為什么會增加患癌風險，也就是說糖尿病患者體內(nèi)的低水平5hmC或許是導(dǎo)致腫瘤的重要因素。

       據(jù)悉，該課題由復(fù)旦大學生物醫(yī)學研究院、復(fù)旦大學附屬中山醫(yī)院及哈佛布雷根醫(yī)院合作完成。我院分時特聘教授、哈佛大學副教授石雨江為論文通訊作者；石雨江課題組吳鏑（目前在康奈爾大學攻讀博士學位）、胡笛（我院08級博士）、陳浩（我院08級博士）以及復(fù)旦大學附屬中山醫(yī)院肝臟外科主任醫(yī)師、哈佛大學高級訪問學者施國明為共同第一作者，相關(guān)工作主要在我院醫(yī)學表觀遺傳與代謝重點實驗室完成；此外，我院分時特聘教授施揚、附屬中山醫(yī)院院長樊嘉及生物醫(yī)學研究院執(zhí)行院長徐國良也對課題給予了大力支持和指導(dǎo)。

      我院分時PI、國家千人計劃學者熊躍教授課題組長期從事TET以及腫瘤代謝相關(guān)研究，熊躍教授高度評價了該工作，他評論道：“該研究是非常有意義的發(fā)現(xiàn)，首次揭示了TET蛋白可以受磷酸化調(diào)控，更重要的是該研究將TET介導(dǎo)的DNA去甲基化與能量代謝聯(lián)系到了一起，并且發(fā)現(xiàn)對一些人類重大疾病具有重要調(diào)控作用”。

      另據(jù)悉，相關(guān)成果發(fā)表之后得到了包括中國新聞網(wǎng)、光明網(wǎng)、人民政協(xié)網(wǎng)、鳳凰網(wǎng)、文匯網(wǎng)、澎湃新聞、東方網(wǎng)等多家媒體的報道，引起了大眾廣泛的關(guān)注。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-018-0350-5

參考資料：

1、Delhommeau, F., Dupont, S., Valle, V. D., James, C., Trannoy, S., Massé, A., ... & Lécluse, Y. (2009). Mutation in TET2 in myeloid cancers. New England Journal of Medicine, 360(22), 2289-2301.

2、Ko, M. et al. Impaired hydroxylation of 5-methylcytosine in myeloid cancers with mutant TET2. Nature468, 839–843 (2010).

3、Lian, C. G. et al. Loss of 5-hydroxymethylcytosine is an epigenetic hallmark of melanoma. Cell 150, 1135–1146 (2012).

4、Xu, W. et al. Oncometabolite 2-hydroxyglutarate is a competitive inhibitor of α-ketoglutarate-dependent dioxygenases. Cancer Cell 19, 17–30 (2011).

5、Cimmino, L., Dolgalev, I., Wang, Y., Yoshimi, A., Martin, G. H., Wang, J., ... & Grillo, I. (2017). Restoration of TET2 function blocks aberrant self-renewal and leukemia progression. Cell, 170(6), 1079-1095.

6、Agathocleous, M., Meacham, C. E., Burgess, R. J., Piskounova, E., Zhao, Z., Crane, G. M., ... & Spangrude, G. J. (2017). Ascorbate regulates haematopoietic stem cell function and leukaemogenesis.Nature, 549(7673), 476.

7、Lin, S. C., & Hardie, D. G. (2017). AMPK: sensing glucose as well as cellular energy status. Cell metabolism.

8、Wang, Y., & Zhang, Y. (2014). Regulation of TET protein stability by calpains. Cell reports, 6(2), 278-284.

9、Giovannucci, E., Harlan, D. M., Archer, M. C., Bergenstal, R. M., Gapstur, S. M., Habel, L. A., ... & Yee, D. (2010). Diabetes and cancer: a consensus report. CA: a cancer journal for clinicians, 60(4), 207-221.

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