糖尿病是一種非常復(fù)雜的以高血糖為特征的代謝綜合疾病，常伴有嚴(yán)重的、有生命危險(xiǎn)的并發(fā)癥。既往的流行病學(xué)研究顯示，糖尿病會(huì)增加患癌風(fēng)險(xiǎn)。而高血糖可能是導(dǎo)致糖尿病與癌癥相關(guān)性的最主要因素。不過(guò)，研究人員尚不清楚這種相關(guān)性背后的分子機(jī)制，也不清楚高血糖如何誘導(dǎo)遺傳或表觀遺傳的變化，并最終引發(fā)癌癥。

       DNA去甲基化酶——TET家族蛋白是最近10年來(lái)表觀遺傳領(lǐng)域最受關(guān)注的明星蛋白之一，哺乳動(dòng)物中包括TET1/2/3三個(gè)成員，其中TET2因?yàn)榕c一些包括腫瘤在內(nèi)的疾?。ū容^突出的是白血病患者中TET2基因的突變頻率較高【1】）發(fā)生發(fā)展相關(guān)而受到廣泛關(guān)注，此外，某些腫瘤中TET2介導(dǎo)的DNA去甲基化產(chǎn)生的5hmC水平還可以作為一種標(biāo)志物（2012年，石雨江課題組在Cell報(bào)道了5hmC的變化與黑色素瘤的發(fā)生發(fā)展直接關(guān)聯(lián)）【2,3】。 

       TET蛋白是一類依賴于 Fe(II)和 α- 酮戊二酸的雙加氧酶，而α- 酮戊二酸（α-KG）是一種代謝產(chǎn)物，那么可以想象TET是可以受到細(xì)胞內(nèi)的代謝水平調(diào)控。事實(shí)上過(guò)去就有研究表明當(dāng)異檸檬酸脫氫酶IDH突變時(shí)會(huì)導(dǎo)致其催化產(chǎn)物從α-KG變成了2-羥基戊二酸（R-2HG），進(jìn)而能夠抑制Fe(II)/α-KG依賴雙加氧酶的活性（相關(guān)工作是由熊躍、管坤良和趙世民組成的合作團(tuán)隊(duì)2011年發(fā)表在Cancer Cell，目前總被引次數(shù)超過(guò)1400次）【4】。除此之外，由于維生素C可以作為電子供體將鐵離子維持在二價(jià)狀態(tài)，因此，維C也是可以通過(guò)影響Fe(II)進(jìn)而調(diào)控TET的活性，去年多篇文章都聚焦維C通過(guò)調(diào)控TET2來(lái)影響白血病的治療【5-6】。那么從代謝水平來(lái)看，除了間接通過(guò)影響Fe(II)或者α-KG來(lái)調(diào)控TET的活性之外，還有其它的形式嗎？另外，從TET蛋白自身來(lái)看，盡管它的重要性不言而喻，但是TET具體是如何被調(diào)控的，目前還所知甚少。

       北京時(shí)間7月19日凌晨，復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院石雨江教授課題組在Nature上在線發(fā)表了題為Glucose-regulated phosphorylation of TET2 by AMPK reveals a pathway linking diabetes to cancer的論文，揭示了由能量感受器AMPK介導(dǎo)的TET2磷酸化通路在連接糖尿病與癌癥過(guò)程中的重調(diào)作用及其相關(guān)分子機(jī)制，還從表觀遺傳的角度闡述了“神藥”二甲雙胍在抑制腫瘤中的作用機(jī)理。此外，該研究提供了一個(gè)模型表明有害環(huán)境是如何直接將表觀組重編程為致癌狀態(tài)，提供了一個(gè)潛在的癌癥治療策略。

      石雨江教授課題長(zhǎng)期從事TET蛋白相關(guān)功能研究，在相關(guān)研究領(lǐng)域曾做出過(guò)重大貢獻(xiàn)。在這項(xiàng)研究中，研究人員從代謝及其相關(guān)疾病的角度出發(fā)，提出科學(xué)問(wèn)題——糖尿病患者的高血糖狀態(tài)是否會(huì)影響TET催化的DNA去甲基化產(chǎn)物5hmC水平的變化。圍繞這一問(wèn)題，研究人員通過(guò)比較正常人與糖尿病患者基因組上整體5hmC的水平（搜集外周血單核細(xì)胞的DNA檢測(cè)），結(jié)果發(fā)現(xiàn)糖尿病患者體內(nèi)的5hmC水平顯著低于正常人，但是5mC的整體水平?jīng)]有顯著差異。然后在細(xì)胞水平通過(guò)在高糖或低糖（葡萄糖）培養(yǎng)狀態(tài)下檢測(cè)細(xì)胞內(nèi)整體5hmC水平，進(jìn)一步表明了高糖狀態(tài)導(dǎo)致低5hmC水平。 

      我們知道，TET1/2/3都能夠介導(dǎo)DNA去甲基化產(chǎn)生5hmC，但是由于TET1和TET3通常在普通細(xì)胞以及腫瘤細(xì)胞中檢測(cè)不到，故在疾病相關(guān)研究中通常聚焦在TET2蛋白上。首先，研究人員圍繞TET2發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞在高糖狀態(tài)下，TET2的表達(dá)量顯著降低，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)是由于TET2的蛋白水平而非mRNA水平發(fā)生了變化，也就是說(shuō)，TET2在高糖狀態(tài)下其蛋白半衰期顯著降低。隨后，研究人員通過(guò)TET2酶活缺失突變體證明了TET2的酶活是葡萄糖影響5hmC水平所必須的，進(jìn)一步通過(guò)甲基化/羥甲基化DNA免疫共沉淀測(cè)序技術(shù)發(fā)現(xiàn)，受葡萄糖水平影響的5hmC富集區(qū)域的基因與腫瘤以及腫瘤相關(guān)的通路密切相關(guān)。那么葡萄糖通過(guò)什么方式調(diào)控了TET2呢？

      AMPK作為細(xì)胞內(nèi)重要能量的感受器，能夠感知體內(nèi)葡萄糖的水平，并且高度敏感【7】。由于AMPK是眾所周知的一類強(qiáng)大的激酶，那么很容易會(huì)問(wèn)TET2是否能被AMPK磷酸化。研究人員首先通過(guò)TET2的氨基酸序列分析發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)潛在AMPK催化位點(diǎn)，然后通過(guò)體外激酶實(shí)驗(yàn)結(jié)合質(zhì)譜的手段發(fā)現(xiàn)TET2上的S99號(hào)位能夠被AMPK磷酸化，而另一個(gè)預(yù)測(cè)的磷酸化位點(diǎn)基本不受AMPK的影響。

    AMPK的活性會(huì)根據(jù)細(xì)胞內(nèi)葡萄糖水平的變化迅速發(fā)生變化，當(dāng)細(xì)胞處于低糖培養(yǎng)條件下AMPK會(huì)被迅速激活。前面已經(jīng)知曉了在低糖條件下，TET2蛋白水平會(huì)顯著下調(diào)，那么是否是因?yàn)锳MPK被激活后磷酸化TET2導(dǎo)致的呢？進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞處于低糖狀態(tài)下激活A(yù)MPK后然后磷酸化TET2的S99位導(dǎo)致的，最終影響了TET2蛋白的穩(wěn)定性。關(guān)于TET2蛋白穩(wěn)定性的問(wèn)題，早在2012年哈佛大學(xué)張毅教授實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)TET的蛋白穩(wěn)定性受calpains（一種胞內(nèi)半胱氨酸蛋白酶,主要由胞內(nèi)鈣離子濃度的升高所激活）所調(diào)控【8】，而過(guò)去有研究表明蛋白質(zhì)磷酸化后能夠保護(hù)其不受calpains的切割，因此，也就是說(shuō)細(xì)胞處于低糖狀態(tài)后AMPK磷酸化TET2使之變得更穩(wěn)定，細(xì)胞內(nèi)5hmC水平上升，反之細(xì)胞處于高糖狀態(tài)下TET磷酸化收到抑制變得不穩(wěn)定，細(xì)胞內(nèi)5hmC水平下降，這正好吻合了最初觀測(cè)到糖尿病人體內(nèi)5hmC水平較低的現(xiàn)象。

       在明確了相關(guān)分子機(jī)制后，研究人員從生物學(xué)意義的角度出發(fā)，通過(guò)腫瘤模型以及AMPK的激活劑二甲雙胍證明了二甲雙胍抑制腫瘤的效果是通過(guò)AMPK–TET2–5hmC通路實(shí)現(xiàn)的。

       總得來(lái)說(shuō)，該研究首次發(fā)現(xiàn)了TET2蛋白上的磷酸化修飾在調(diào)控細(xì)胞內(nèi)5hmC的重要作用，并且找了TET2上游的關(guān)鍵調(diào)控因子AMPK。從臨床疾病的角度來(lái)講，盡管有研究表明糖尿病與癌癥風(fēng)險(xiǎn)增加密切相關(guān)【9】，但是這種關(guān)聯(lián)背后的分子基礎(chǔ)并不清楚，該研究一定程度上從表觀遺傳的角度解釋了糖尿病患者為什么會(huì)增加患癌風(fēng)險(xiǎn)，也就是說(shuō)糖尿病患者體內(nèi)的低水平5hmC或許是導(dǎo)致腫瘤的重要因素。

       據(jù)悉，該課題由復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院、復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院及哈佛布雷根醫(yī)院合作完成。我院分時(shí)特聘教授、哈佛大學(xué)副教授石雨江為論文通訊作者；石雨江課題組吳鏑（目前在康奈爾大學(xué)攻讀博士學(xué)位）、胡笛（我院08級(jí)博士）、陳浩（我院08級(jí)博士）以及復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院肝臟外科主任醫(yī)師、哈佛大學(xué)高級(jí)訪問(wèn)學(xué)者施國(guó)明為共同第一作者，相關(guān)工作主要在我院醫(yī)學(xué)表觀遺傳與代謝重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成；此外，我院分時(shí)特聘教授施揚(yáng)、附屬中山醫(yī)院院長(zhǎng)樊嘉及生物醫(yī)學(xué)研究院執(zhí)行院長(zhǎng)徐國(guó)良也對(duì)課題給予了大力支持和指導(dǎo)。

      我院分時(shí)PI、國(guó)家千人計(jì)劃學(xué)者熊躍教授課題組長(zhǎng)期從事TET以及腫瘤代謝相關(guān)研究，熊躍教授高度評(píng)價(jià)了該工作，他評(píng)論道：“該研究是非常有意義的發(fā)現(xiàn)，首次揭示了TET蛋白可以受磷酸化調(diào)控，更重要的是該研究將TET介導(dǎo)的DNA去甲基化與能量代謝聯(lián)系到了一起，并且發(fā)現(xiàn)對(duì)一些人類重大疾病具有重要調(diào)控作用”。

      另?yè)?jù)悉，相關(guān)成果發(fā)表之后得到了包括中國(guó)新聞網(wǎng)、光明網(wǎng)、人民政協(xié)網(wǎng)、鳳凰網(wǎng)、文匯網(wǎng)、澎湃新聞、東方網(wǎng)等多家媒體的報(bào)道，引起了大眾廣泛的關(guān)注。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-018-0350-5

參考資料：

1、Delhommeau, F., Dupont, S., Valle, V. D., James, C., Trannoy, S., Massé, A., ... & Lécluse, Y. (2009). Mutation in TET2 in myeloid cancers. New England Journal of Medicine, 360(22), 2289-2301.

2、Ko, M. et al. Impaired hydroxylation of 5-methylcytosine in myeloid cancers with mutant TET2. Nature468, 839–843 (2010).

3、Lian, C. G. et al. Loss of 5-hydroxymethylcytosine is an epigenetic hallmark of melanoma. Cell 150, 1135–1146 (2012).

4、Xu, W. et al. Oncometabolite 2-hydroxyglutarate is a competitive inhibitor of α-ketoglutarate-dependent dioxygenases. Cancer Cell 19, 17–30 (2011).

5、Cimmino, L., Dolgalev, I., Wang, Y., Yoshimi, A., Martin, G. H., Wang, J., ... & Grillo, I. (2017). Restoration of TET2 function blocks aberrant self-renewal and leukemia progression. Cell, 170(6), 1079-1095.

6、Agathocleous, M., Meacham, C. E., Burgess, R. J., Piskounova, E., Zhao, Z., Crane, G. M., ... & Spangrude, G. J. (2017). Ascorbate regulates haematopoietic stem cell function and leukaemogenesis.Nature, 549(7673), 476.

7、Lin, S. C., & Hardie, D. G. (2017). AMPK: sensing glucose as well as cellular energy status. Cell metabolism.

8、Wang, Y., & Zhang, Y. (2014). Regulation of TET protein stability by calpains. Cell reports, 6(2), 278-284.

9、Giovannucci, E., Harlan, D. M., Archer, M. C., Bergenstal, R. M., Gapstur, S. M., Habel, L. A., ... & Yee, D. (2010). Diabetes and cancer: a consensus report. CA: a cancer journal for clinicians, 60(4), 207-221.

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