苹果酸脱氢酶1精氨酸甲基化调控在肺癌中的作用及其分子机制研究

Protein arginine methyltransferases(PRMT) are frequently dysregulated in lung cancer. Arginine methylation occurs on not only histones and transcription-associated factors, but also a large number of cytosolic proteins, including metabolic enzymes. MDH1, the key enzyme of malate synthesis in the cytoplasm, was identified to be methylated on arginine residues by MS studies. MDH1 coordinates glucose metabolism and de novo lipid synthesis through regulating glutamine-dependent non-canonical NADPH production. High MDH1 expression significantly correlates with poorer survival of lung cancer patients. Thus, dysregulation of PRMT may induce aberrant MDH1 arginine methylation, and promote tumor growth through altering MDH1-dependent cytosolic NADPH production. This project is aimed towards elucidating the molecular mechanism of MDH1 arginine methylation regulation on tumor metabolism and cancer development. Our study mainly focuses on (1) the molecular mechanism underlying arginine methylation regulation of MDH1; (2) the impact of MDH1 arginine methylation on cancer metabolism; (3) the role of MDH1 arginine methylation during cancer development. Our study will provide both the insight into arginine methylation regulation of cancer metabolism, and potential novel target for lung cancer therapy.

精氨酸甲基化酶PRMT在肺癌等肿瘤中多处于失调状态。除组蛋白和转录相关蛋白外，包括代谢酶在内的许多核外蛋白也存在精氨酸甲基化修饰，如胞浆内生成苹果酸的关键酶苹果酸脱氢酶MDH1。MDH1调控肿瘤细胞非经典NADPH合成通路，协调糖代谢和脂合成过程。肺癌中MDH1高表达与预后显著相关。我们推测，PRMT活性的改变会影响MDH1精氨酸甲基化，进一步调控肿瘤细胞非经典NADPH合成途径，从而影响肿瘤生长。我们将围绕MDH1精氨酸甲基化修饰对肿瘤细胞的影响及调控机制展开研究，重点关注如下科学问题：1.MDH1精氨酸甲基化修饰对MDH1活性及肿瘤代谢的影响；2.MDH1精氨酸甲基化调控机制；3.MDH1精氨酸甲基化在肿瘤发生发展中的作用。我们期望这些研究，能够帮助我们进一步认识肿瘤代谢的改变在肿瘤发生发展中的意义，认识MDH1精氨酸甲基化在肺癌等癌症中的作用，以及MDH1成为干预肺癌靶点的可能性

一、项目背景.线粒体代谢失调在肿瘤发生发展过程中扮演着关键的角色，然而其调控方式并不完全清楚。近年研究表明蛋白翻译后修饰是调控细胞代谢的重要机制之一。值得注意的是，精氨酸甲基化修饰是在细胞内广泛分布的翻译后修饰类型，但其生理作用尚不清楚。因此，精氨酸甲基化修饰极有可能调控线粒体代谢并成为肿瘤代谢治疗的靶点。.二、主要研究内容.本项目针对精氨酸甲基化修饰调控肿瘤细胞线粒体代谢的机制展开研究，项目以胰腺癌和肺癌为研究模型，围绕前期发掘到的线粒体代谢相关酶MDH1，即苹果酸脱氢酶，展开工作。研究聚焦于MDH1的甲基化调控分子机制，重点关注精氨酸甲基化修饰对线粒体代谢和肿瘤发生发展的影响，从肿瘤细胞线粒体代谢重塑和氧化应激反应两个方向解析了MDH1甲基化调控的生理作用。项目进一步在临床样本中发掘MDH1甲基化调控的临床相关性，并对靶向干预MDH1甲基化进而阻止肿瘤生长进行了初步的探讨。.三、重要结果和关键数据.项目重要结果及关键数据主要有（1）MDH1甲基化调控蛋白聚合。蛋白交联和免疫共沉淀表明MDH1甲基化导致二聚体解聚和失活；（2）CARM1甲基化MDH1。筛选发现精氨酸甲基化酶CARM1结合并甲基化MDH1；（3）MDH1甲基化抑制线粒体呼吸和肿瘤谷氨酰胺代谢。代谢物定量和代谢流分析表明MDH1甲基化降低胰腺癌和肺癌谷氨酰胺代谢和线粒体呼吸；（4）CARM1是氧化压力感受器。CARM1调控MDH1甲基化维持氧化还原平衡；（5）MDH1甲基化抑制胰腺癌增殖。MDH1甲基化抑制肿瘤细胞增殖，胰腺癌中普遍存在的KRAS激活突变下调MDH1甲基化，临床胰腺癌组织中MDH1处于低甲基化水平。.四、科学意义.（1）国际首次发现精氨酸甲基化调控线粒体代谢的机制.（2）首次解析MDH1甲基化在谷氨酰胺代谢和氧化应激中的调控功能.（3）首次发现CARM1可作为氧化压力感受器调控线粒体呼吸和活力.（4）研究揭示MDH1甲基化是潜在的胰腺癌代谢治疗靶点