组蛋白甲基化转移酶KMT2D调控泛素连接酶HERC2在前列腺癌DNA损伤修复中的作用及机制

The DNA repair system is essential for tumor cells to protect cells form death caused by DNA damage. However, the underlying mechanism of DNA repair is still elusive. The histone methyltransferase KMT2D is a novel oncogene that associated with prostate carcinogenesis identified by us. Our recent studies indicated that the loss of KMT2D would downregulate the capacity of DNA damage repair and suppress the gene expression of ubiquitin ligases HERC2, which is the key member of ubiquitination dependent DNA double-strand breaks (DSBs) repair pathway. Therefore, we propose that in prostate cancer, KMT2D would activate the HERC2 transcription. The increased HERC2 expression would promote the ubiquitination dependent DSBs repair pathway and increase the prostate cancer cell resistance of DNA damage factors. Loss or inactivation of KMT2D would enhance the sensibility of DNA damage drugs. In this study, we hope to combine KMT2D knockdown/SET domain knockout cell model and KMT2D knockout mice model to analyze the correlation between KMT2D and DNA damage in prostate cancer and the mechanism of KMT2D regulating DNA repair via epigenetically activating HERC2. Furthermore, the organoid model derived from patients with advanced prostate cancer is used to evaluate the clinical value of KMT2D, providing new therapeutic methods for prostate cancer treatment.

DNA损伤修复是肿瘤细胞保护自身免于DNA损伤相关死亡的关键机制，但目前有关DNA损伤修复的调控仍不明确。组蛋白甲基化转移酶KMT2D是我们前期研究新发现的前列腺癌促癌基因，预实验显示，KMT2D缺失会导致前列腺癌细胞出现DNA损伤修复障碍，抑制泛素依赖的DNA修复关键基因HERC2的表达，增加PARP抑制剂奥拉帕尼对细胞的杀伤。因此，我们认为KMT2D可能通过激活HERC2转录促进DNA损伤的修复，进而增强肿瘤细胞对损伤因素的抵抗性；抑制KMT2D表达会增加肿瘤细胞对DNA损伤靶点药物的敏感性。本项目拟通过临床病例样本、KMT2D沉默和敲除细胞模型以及基因敲除小鼠模型，阐明KMT2D通过HERC2基因调控DNA损伤修复的机制，并利用类器官模型，评价KMT2D的临床应用价值，为前列腺癌的治疗提供新的药物靶点。

DNA损伤及基因组不稳定会导致细胞染色质异常，基因突变增加，从而促进肿瘤进展。内源性或外源性因素如自身转录压力、活性氧 (ROS)、化学致癌物、胃肠道细菌代谢产物、紫外线辐射均会导致细胞出现DNA损伤，其中，ROS是导致细胞DNA损伤的重要内因。细胞代谢异常、线粒体功能异常或者抗氧化应激能力的下降均会导致细胞内ROS水平升高，诱导细胞DNA损伤，进而介导细胞衰老或坏死。前期研究发现KMT2D 缺失会抑制前列腺癌DNA 损伤后修复。因此，KMT2D可能对于肿瘤细胞对氧化DNA损伤后的自我保护应答十分重要。我们前期研究已经证实KMT2D是前列腺癌的重要肿瘤促进基因，然而对于KMT2D是否会保护前列腺癌细胞免受氧化DNA损伤目前仍不明确。通过本项目的实施，我们发现KMT2D沉默后细胞内ROS介导的DNA损伤程度显著升高，并且会导致细胞凋亡和衰老。此外，我们发现KMT2D沉默后PI3K/Akt通路活性受到抑制，细胞的抗凋亡能力下降，并且Akt会磷酸化BRCA1，促进BRCA1的表达上调，并抑制BRCA1的细胞内降解，导致细胞对DNA损伤的抗性下降。进一步机制研究发现，KMT2D沉默后细胞抗氧化应激基因如FOXO3的表达显著下调，KMT2D沉默在影响FOXO3本身的表达水平外，还显著影响FOXO3与目标基因DNA的结合，在KMT2D沉默的细胞中过表达FOXO3并不能恢复细胞内的ROS水平，更进一步证实了KMT2D是FOXO3发挥抗氧化应激功能的必要条件。针对H3K4me1和H3K27ac的ChIP-PCR检测确认在抗氧化应激基因增强子区域，这些活化标志由于KMT2D沉默而发生表达下调，影响FOXO3与下游抗氧化应激基因增强子区域的结合，进而导致细胞抗氧化应激能力下降，细胞内ROS上升，介导DNA损伤，引起细胞凋亡和衰老。此外，我们还发现，抑制KMT2D能增加细胞对基因毒性化疗药物和PARP抑制剂的敏感性，因此KMT2D能够作为前列腺癌的治疗靶点，并同时为前列腺癌药效预测的生物标志物，指导临床治疗。