ALDH1A1蛋白甲基化修饰对乳腺肿瘤干细胞的调控机制及其临床意义研究

Breast cancer stem cells (BCSC) not only drive tumor initiation and growth, but also mediate the tumor metastasis and therapeutic resistance. Aldehyde dehydrogenase (ALDH) is one of the BCSC marker, and of 19 ALDH isoforms in the breast cancer tissue, ALDH1A1 protein plays key role in the ALDH+ BCSC. In the preliminary study, we found that sorted ALDH+ and ALDH- cells from MDA-MB-231-ALDH1A1 cell line showed similarly ALDH1A1 protein expression, and Mass Spectrum analysis displayed that in the ALDH+ cell population, the methylation level of K193 in the ALDH1A1 protein was upregualted compared to that in the ALDH- cell population, which indicated that methylation status of ALDH1A1-K193 is an key factor regulating ALDH1A1 enzyme activity. However, the function of ALDH1A1-K193 methylation in the BCSCs growth and chemoresistance is still unknown, and the regulation mechanism is not clear. In this project, with the implication of clinical samples, we plan to explore the function and mechanism of ALDH1A1-K193 methylation on the BCSCs biological characters, which would provide an experimental foundation for the finding of new therapeutic strategy targeting CSC self-renew and chemoresistance in breast cancer.

乳腺肿瘤干细胞（BCSC）是导致肿瘤术后复发、转移以及耐药的重要影响因素。乙醛脱氢酶（ALDH）是BCSCs的标志物之一，而19种ALDH异构体中，ALDH1A1蛋白在ALDH阳性BCSCs中发挥重要作用。前期研究中，我们发现分选得到的乳腺癌ALDH阳性和ALDH阴性细胞群具有相同的ALDH1A1蛋白表达，而在ALDH阳性细胞群中ALDH1A1蛋白K193位点甲基化水平显著高于ALDH阴性细胞群，提示ALDH1A1-K193位点甲基化是影响ALDH1A1蛋白活性的关键因素。然而，该位点甲基化水平对BCSCs生长和耐药能力的影响及其调控机制并不明确。因此，本项目拟结合临床样品，探索ALDH1A1甲基化水平对BCSCs生物学特性的影响，为找到新的干预BCSCs自我更新与耐药的治疗策略提供实验依据。

肿瘤异质性在肿瘤发生发展和治疗耐受过程中发挥重要作用，是恶性肿瘤特征之一。高ALDH酶活性是间质-上皮转化样乳腺肿瘤干细胞的标志物，但是ALDH酶活性在实体瘤特别是乳腺癌中发挥功能的具体机制目前并不明确。本研究以三阴性乳腺癌细胞中影响ALDH酶活性的主要分子ALDH1A1为研究靶标，将ALDH1A1关键酶活性位点进行突变，在保留ALDH1A1蛋白表达水平的同时观察其酶活性失活造成的影响。研究结果显示，野生型Aldh1a1明显促进三阴性乳腺移植瘤的体内生长，促进了肿瘤干细胞的体内富集，并伴随肿瘤微环境中骨髓来源的抑制性细胞（MDSCs）的富集以及活性CD8+ T细胞的减少，而过表达酶活失活突变体无此作用。机制上，Aldh1a1基因催化醛脱氢变为酸的过程中局灶性地降低了肿瘤细胞内pH值，在低pH值的条件下TAK1对自身磷酸化激活作用增强，继而激活了后续的MAPK-NFkB信号通路。MAPK-NFkB通路的激活进一步促进了肿瘤细胞中GM-CSF的表达和分泌，后者促进了MDSCs在乳腺癌组织中的增加并对CD8+ T细胞的激活发挥了抑制作用，最终促进了免疫抑制微环境的形成。基于ALDH1A1酶活性在乳腺癌中的作用，我们发现联合ALDH酶活性抑制剂双硫仑治疗可以显著增强化疗药物吉西他滨或PD-L1单抗的对乳腺癌的治疗效果；同时，联合治疗可以更好地抑制肿瘤组织中乳腺肿瘤干细胞的富集和免疫微环境中MDSCs的浸润。本研究揭示了ALDH1A1酶活性在调控乳腺肿瘤细胞酸碱平衡、肿瘤干细胞自我更新和肿瘤免疫微环境形成过程中的具体作用，提出了ALDH酶活性抑制剂增强化疗和免疫治疗在高表达ALDH1A1或具有高ALDH酶活性乳腺癌病人中的疗效的新思路，具有较大的潜在经济和社会价值。