蛋白質琥珀酰化修飾 (succinylation) ，作為賴氨酸酰化修飾家族的重要一員，於2011年由芝加哥大學趙英明教授團隊在Nature Chemical Biology 發文被首次報道，並被評為該雜志創刊10年39篇精品論文之一 [1]。隨后，關於琥珀酰化的調控酶系統（轉移酶writer和去修飾酶eraser）和生物學功能也有了越來越多的報道。如浙江大學轉化醫學研究院呂志民教授課題組在Nature發文，首次發現了組蛋白琥珀酰化修飾的轉移酶——KAT2A，可以調節組蛋白H3K79位點琥珀酰化 [2]。在細胞多層面功能的調控機制中都發現了琥珀酰化修飾發揮着舉足輕重的作用。
谷氨酰胺（Gln）是人體內含量最豐富的氨基酸，也是腫瘤細胞生長所必需的氨基酸。谷氨酰胺酶（GLS）是谷氨酰胺代謝的關鍵酶，它將谷氨酰胺轉化為谷氨酸，分解產生α-酮戊二酸，進入三羧酸循環中代謝而提供能量。GLS具有致癌特性，GLS對基因組和表觀基因組選擇性的干預影響癌症的代謝重編程，被認為是一個有價值的腫瘤治療靶點，靶向GLS的葯物現已進入臨床試驗。然而，GLS具體調控機制，尤其是是否在翻譯后修飾被調控以支持腫瘤細胞生長仍存在諸多未知。
2021年5月14日，浙江大學轉化醫學研究院呂志民教授和中國海洋大學於日磊教授（共同通訊作者）合作在Molecular Cell 上發表題為SUCLA2-coupled regulation of GLS succinylation and activity counteracts oxidative stress in tumor cells的文章。該項研究揭示了GLS上的一種新型翻譯后修飾——琥珀酰化，並發現腫瘤細胞在氧化應激條件下，通過SUCLA2調控 GLS的琥珀酰化和酶活性，進而增強谷氨酰胺代謝水平。該研究強調了蛋白質功能的改變可以通過修飾蛋白質與代謝酶及其代謝底物和產物的相互作用來調節，並將為腫瘤治療新策略的開發提供新思路。
一、GLS在人胰腺導管腺癌中上調
胰腺導管腺癌（PDAC）細胞使用谷氨酰胺進行合成代謝過程。為了檢測GLS在PDAC中的表達水平，研究人員對54例人PDAC標本及其配對的正常人胰腺組織進行了免疫組化分析，證實了GLS在PDAC組織中高表達。谷胱甘肽胺剝奪、特異性GLS抑制劑處理、及shRNA處理沉默GLS基因，對PDAC細胞增殖抑制作用大於對正常人胰管上皮（HPDE）細胞的抑制作用，表明GLS在PDAC細胞中高表達，其增殖依賴於谷氨酰胺代謝。
圖1 GLS在PDAC中高表達，促進PDAC細胞增殖
二、GLS K311琥珀酰化增強了GLS的聚合和活性
研究進一步發現，除了調節其表達水平外，GLS還可以通過翻譯后修飾調控其活性。GLS在進化上保守的K311位點處發生琥珀酰化，琥珀酰輔酶A可以在線粒體中和體外調控GLS的琥珀酰化。運用抗賴氨酸琥珀酰化泛抗體和特異性抗GLS K311琥珀酰化抗體（K311succ）檢測，發現rGLS K311R突變體的琥珀酸化程度遠遠低於其WT對應物，這些結果表明GLS主要在K311被琥珀酰化。PDAC細胞中，GLS K311琥珀酰化促進GLS聚合，這可能是由於相鄰單體的琥珀酰化K311和H475之間形成氫鍵，導致GLS活性隨后增強。
圖2 GLS K311琥珀酰化導致GLS活性增強
三、p38磷酸化SUCLA2與GLS解離並促進GLS K311琥珀酰化
為了確定GLS K311琥珀酰化的調控機制，研究人員對GLS免疫沉淀物進行了質譜分析。琥珀酰輔酶a合成酶SUCL是由SUCLG1編碼的不變性亞基a和由SUCLA2編碼的底物特異性亞基b組成的異源二聚體酶，可以將琥珀酰輔酶A分解為琥珀酸和輔酶A，同時產生ATP。結果表明SUCLA2（而不是SUCLG2），與GLS相互作用和共定位。只有SUCLA2（而不是SUCLG2）的缺失增強了GLS K311的琥珀酸化，這表明調節GLS和SUCLA2之間的聯系有助於GLS K311的琥珀酸化。
質譜分析進一步發現，氧化應激條件下，p38被激活，使SUCLA2 S79磷酸化，促進了SUCLA2（而非SUCLG2）與GLS的解離。阻止SUCLA2介導的琥珀酸輔酶A轉化為琥珀酸，導致GLS 周圍局部琥珀酰輔酶A水平的升高，從而促進GLS的琥珀酰化和聚合。值得一提的是，鑒於Lys可以乙酰化和泛素化，研究人員檢測了氧化應激條件下GLS K311琥珀酰化、乙酰化和泛素化的水平，結果表明GLS K311主要發生琥珀酰化修飾的改變，而不是乙酰化或泛素化的。
圖3 SUCLA2 S79磷酸化促進了細胞氧化應激時SUCLA2與GLS的解離
四、GLS琥珀酰化促進谷氨酰胺分解和腫瘤生長
研究進一步探討了SUCLA2 S79磷酸化調節的GLS K311琥珀酰化對谷氨酰胺代謝、氧化應激和腫瘤發展中的調控。結果表明SUCLA2調節的GLS激活在抗氧化應激中起着關鍵作用，GLS K311琥珀酰化和活化促進谷氨酰胺代謝，導致NADPH和谷胱甘肽的產生，以對抗氧化應激誘導的ROS產生和凋亡，並促進小鼠腫瘤細胞增殖和腫瘤生長。在臨床樣本中也發現，SUCLA2 pS79和GLS K311琥珀酰化水平呈正相關，與胰腺導管腺癌患者的臨床分期和不良預后呈正相關。這些結果支持SUCLA2 pS79調控的GLS K311琥珀酰化在人PDAC臨床侵襲性中的關鍵作用。
圖4 GLS K311琥珀酰化促進小鼠腫瘤細胞增殖和腫瘤發展
綜上所述，本研究揭示了一個全新的GLS調節機制——琥珀酰化介導的GLS活性調控，並發現腫瘤細胞在氧化應激條件下，通過SUCLA2調控 GLS的琥珀酰化和酶活性，促進谷氨酰胺代謝，在細胞凋亡、腫瘤增殖中起重要作用。研究證實了GLS K311琥珀酰化與人PDAC的臨床侵襲性相關，強調了干預GLS琥珀酰化對於癌症治療策略的可能性。
參考文獻
1. Zhihong Zhang, et al., 2011. Identification of lysine succinylation as a new post-translational modification. Nature Chemical Biology.
2. Yugang Wang, et al., 2017. KAT2A coupled with the α-KGDH complex acts as a histone H3 succinyltransferase. Nature.
3. Yingying Tong, et al., 2021. SUCLA2-coupled regulation of GLS succinylation and activity counteracts oxidative stress in tumor cells. Molecular Cell.