延胡索酸水合酶通过调节组蛋白甲基化介导DNA损伤修复及其在肿瘤中的作用

FH inactivation are frequently detected in renal cancer and leiomyomatosis, and are positively correlated with tumor development. As a metabolic enzyme, FH may participate in DNA repair, and the levels of fumarate (FH metabolic product) could affect H3 methylation by antagonizing the alpha-KG-dependent demethylase. However, whether FH could mediate DNA repair through regulation of H3 methylation and its potential effects on tumorigenesis remains unknown. Currently, we have found DNA damage signals induce the phosphorylation of FH by DNA-PK at DNA double-strand break (DSB) regions, which leads to an interaction between fumarase and the histone variant H2A.Z. Furthermore, depletion of FH impaired DNA damage-induced H3K36 methylation and subsequent DNA repair. These results suggest DNA-PK-FH signaling pathway promote DNA repair by regulating H3K36 methylation. In this project, we will further investigate molecular mechanisms underlying local metabolic effects of FH on DNA repair in tumor cells. In addition, we will utilize the cancer cell lines and mice to test the effects of DNA-PK-FH-H3K36 methylation signaling pathway on tumor development. Finally, we will detect mutation of FH and the levels of H3K36 methylation in clinical tumor samples, and examine the relationship between FH status or the levels of H3K36 methylation and patient survival. Collectively, in this project we expect to deeply elucidate the functional role of FH in DNA repair and its effects on tumorigenesis.

延胡索酸水合酶(Fumarate hydratase, FH)是重要抑癌基因，在多种肿瘤中存在功能缺失突变。已有研究表明：FH参与了DNA损伤修复，其产物延胡索酸水平能影响组蛋白甲基化；但FH是否通过调节组蛋白甲基化介导DNA损伤修复及其对肿瘤发生的影响等，尚未见报道。我们前期研究发现：DNA损伤诱导FH被招募至DNA损伤处；进而DNA-PK能够磷酸化FH，促进FH与DNA损伤处组蛋白H3结合；FH敲低削弱DNA损伤诱导的H3甲基化、DNA损伤修复。提示DNA-PK-FH信号通路影响H3甲基化调节DNA损伤修复。本项目拟研究：FH在DNA损伤局部通过其代谢功能调节DNA修复的具体作用机制；细胞水平与动物模型中检测DNA-PK/FH/H3通路对肿瘤生长的影响；在临床肿瘤样本测序或免疫组化分析FH，H3甲基化与病人预后的相关性。本项目将阐明FH调节DNA损伤修复的分子机制以及其在肿瘤中的作用。

延胡索酸水合酶(Fumarate Hydratase, FH) 作为三羧酸循环中关键代谢酶之一，在多种肿瘤中存在功能缺失。之前研究表明：FH参与了DNA损伤修复，其产物延胡索酸水平能影响组蛋白甲基化；但FH是否通过调节组蛋白甲基化介导DNA损伤修复及其对肿瘤发生的影响等，尚未见报道。课题组原创性地发现：电离辐射能够诱导DNA-PK-催化的FH T236位点的磷酸化，从而导致FH与组蛋白 H2A.Z在DNA双链损伤区域发生相互作用。FH区域性产生的延胡索酸（fumarate）抑制了去甲基化酶 KDM2B 的活性,导致 H3 K36双甲基化（dimethylation）的增强， 进而促进了DNA非同源修复（NHEJ）以及细胞的生存。这些发现揭示了与染色体结合的FH通过调节表观遗传调控DNA-PK介导的非同源修复（NHEJ）的崭新机制。此机制的阐明对于深层次理解FH缺失通过影响DNA修复影响肿瘤发展，以及FH通过调节DNA损伤修复对于肿瘤细胞生长的影响有着重要理论指导意义。这也为相关临床诊治提供了新的理论基础及靶点。这项研究成果申请人作为第一作者以article发表在Nature cell biology (2015; 17:1158-68)。.课题组进一步发现：细胞葡萄糖缺失的情况下，激活的AMPK激酶能够磷酸化FH；这促进了FH与转录因子ATF2结合，以及FH在ATF2下游靶基因启动子区域的富集；从而通过局部代谢活性促进了启动子区域组蛋白甲基化水平，最终推动抑制细胞生长相关基因的表达。在肿瘤细胞中往往伴随着高活性的O-linked糖基化转移酶（OGT）。我们同时发现：肿瘤细胞中FH同时能够被高程度O-linked糖基化，此糖基化抑制了AMPK介导的FH磷酸化，进而抑制了FH-ATF2下游效应；临床样本分析表明OGT 表达量与胰腺癌病人预后负相关，而FH磷酸化与胰腺癌病人预后正相关。总的来说，肿瘤细胞中由于OGT具有较高活性，因此其介导的FH糖基化能够增强肿瘤细胞在营养缺失情况下持续生长的能力。这些发现阐明了FH调控基因转录的全新分子机制；同时也揭示了肿瘤细胞特异的FH被调控的机制。这对于针对于肿瘤细胞中FH特异状态的临床诊治方案开发有着积极的指导意义。这项研究成果申请人作为通讯作者发表在Nature cell biology (2017； 19:833-843）。