O-GlcNAc修饰对活性氧产生的调节机制及其在肿瘤发生发展中的作用研究

O-GlcNAc is an O-linked β-N-acetylglucosamine moiety attached to the side chain hydroxyl of a serine or threonine residue, which is found on numerous cytoplasm and nucleus proteins. Although we have demonstrated that O-GlcNAc plays essential roles in cancer formation and progression, the precise molecular basis of this process remains obscure. Recently, the involvement of reactive oxygen species (ROS) signaling in tumor formation and metastasis was highlighted. Previous data suggested that O-GlcNAc may act as an intracellular stress sensor, and augmented O-GlcNAc signaling could attenuate oxidative stress. Additionally, we recently found that O-GlcNAc could down-regulate the ROS levels in lung cancer cells. Based on these results, we hypothesize that O-GlcNAc is involved in the regulation of ROS signaling in cancer cells, and the effects of O-GlcNAc on cancer formation and progression may be mediated by ROS signaling. In this proposal, we try to clarify the role and mechanism of O-GlcNAc in the regulation of ROS metabolism in cancer cells; furthermore, we will investigate the effects of ROS signaling on the role of O-GlcNAc in cancer formation and progression; lastly, the association of O-GlcNAc levels and ROS signaling in the clinical tumor tissues will be examine. This study is very useful for the understanding of the regulation of ROS signaling in cancer cells and the mechanisms underlying the role of O-GlcNAc in cancer formation and progression; furthermore, this study will also provide intriguing messages for the developing of ROS and O-GlcNAc as targets for cancer therapy.

O-GlcNAc是一种广泛存在于细胞浆和细胞核蛋白质的丝/苏氨酸上的动态、可逆的翻译后修饰，在生命过程中发挥重要的调节作用。虽然我们已证明蛋白质O-GlcNAc修饰促进肿瘤发生和转移，但其确切分子机制还不清楚。O-GlcNAc修饰作为细胞的压力感应器，能够提高细胞的抗氧化能力。最近，活性氧在调节肿瘤发生和转移过程中的作用备受关注；我们发现增加O-GlcNAc能下调肺癌细胞中活性氧水平。在本课题中，我们将深入探讨蛋白质O-GlcNAc修饰对肿瘤细胞活性氧代谢的调控作用及分子机制；在细胞和动物水平上研究活性氧在O-GlcNAc介导的肿瘤发生和发展中的作用；检测和分析临床肿瘤组织中蛋白质的O-GlcNAc修饰与活性氧信号的相关性。本课题的研究成果不仅有利于深入揭示O-GlcNAc促进肿瘤发生和发展的分子机制，而且将为活性氧和O-GlcNAc作为肿瘤治疗靶点提供更充份的理论依据。

O-GlcNAc修饰是广泛存在于细胞质和细胞核中的蛋白丝氨酸和苏氨酸上的一种动态、可逆的翻译后修饰，我们前期实验已经证明O-GlcNAc在肿瘤发生和发展过程中发挥重要作用，但其确切分子机制还不清楚。在该项目的研究中，我们以肿瘤细胞氧化应激为切入点，研究了O-GlcNAc修饰对肿瘤细胞内ROS水平的调控作用及其机制，并揭示了O-GlcNAc修饰在肿瘤细胞氧化应激过程中的保护作用及其机制。主要研究工作如下。. 我们发现氧化应激能促进肿瘤细胞中总的O-GlcNAc修饰，而O-GlcNAc修饰水平的增加能降低氧化应激诱导的活性氧，这表明在肿瘤细胞中O-GlcNAc修饰与ROS相互调节。通过检测肺癌组织中O-GlcNAc修饰水平和DNA氧化损伤（8-氧鸟嘌呤），我们发现O-GlcNAc修饰与DNA氧化损伤高度相关。这些结果表明，肿瘤细胞氧化压力的增加促进O-GlcNAc修饰从而促进细胞对活性氧的消除并起到细胞保护作用。在后续的研究中我们进一步揭示了O-GlcNAc修饰调节活性氧和细胞生存的分子机制。. 转录因子NRF2通过调控多种氧化还原相关基因的表达在细胞氧化应激过程中发挥关键的作用。我们通过定量PCR检测发现多种与氧化还原相关的基因受O-GlcNAc修饰的调控，而这些基因大都是转录因子NRF2的下游基因，因此我们推测O-GlcNAc可能直接修饰并调控NRF2。我们发现NRF2确实具有O-GlcNAc修饰并且确定了其修饰位点，进而发现O-GlcNAc修饰可以增加NRF2的稳定性从而增强细胞的抗氧化能力。. SIRT1是依赖于NAD+的组蛋白和非组蛋白的脱乙酰化酶，其在包括氧化应激等多种压力应激的过程中发挥细胞保护作用。我们研究发现，SIRT1具有O-GlcNAc修饰并确定了其主要的修饰位点；发现氧化应激在细胞和动物水平促进SIRT1的O-GlcNAc修饰从而促进SIRT1的活性；SIRT1的O-GlcNAc修饰能保护肿瘤细胞避免氧化压力等应激诱导的细胞凋亡。. 该研究对于阐明肿瘤细胞中活性氧的调控和发生机制具有重要的理论意义，也为肿瘤的治疗提供了新的理论依据。