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【前沿进展】BCAT1通过表观遗传糖酵解激活赋予EGFR-TKI抗性

2024年12月03日

整理：肿瘤资讯

来源：肿瘤资讯

耐药性一直被认为是表皮生长因子受体（EGFR）突变非小细胞肺癌（NSCLC）靶向治疗失败和癌症复发的主要原因。尽管第三代EGFR酪氨酸激酶抑制剂（TKIs）疗效显著，但不可避免会出现耐药。迄今为止，已揭示多种耐药机制，包括EGFR突变破坏药物结合，激活替代信号通路，异常的下游信号传导和谱系可塑性导致小细胞肺癌转化等。然而，超过30%的耐药机制仍未得到解释，这吸引了人们探索新的耐药机制和治疗TKI耐药NSCLC的潜在治疗策略。近日，中国科学院谢华、丁健、周虎及赵桂龙教授在Signal Transduction and Targeted Therapy 发表了一项研究论文，揭示了支链氨基酸转氨酶1（BCAT1）在介导第三代EGFR-TKIs耐药中的关键作用，从而支持BCAT1作为治疗TKI耐药NSCLC的有希望的治疗靶点。【肿瘤资讯】整理如下，以飨读者。

研究方法

本研究采用高通量蛋白质组学分析技术来描绘获得性耐药时的蛋白质组的改变，旨在揭示第三代EGFR-TKIs的新型耐药机制。与TKI敏感细胞相比，BCAT1是TKI耐药细胞中高度上调的蛋白，在体外和体内支持细胞存活和维持耐药性方面发挥关键作用。从机制层面剖析，BCAT1的过表达加速了BCAA的合成代谢，促进了TKI耐药细胞中α-KG依赖性糖酵解基因的表观遗传激活，从而增强糖酵解以维持细胞活力并介导耐药。此外，研究者开发并鉴定了新型BCAT1抑制剂在体外和体内抗TKI耐药NSCLC中的抗肿瘤活性。

研究结果

BCAT1在EGFR-TKI耐药肿瘤中上调，与肺腺癌预后不良相关

在第三代EGFR-TKI耐药的NSCLC细胞株中，通过SILAC分析发现BCAT1是与耐药性相关的最显著上调蛋白之一。BCAT1在耐药细胞中的表达上调在mRNA和蛋白水平上都得到了进一步的确认。此外，耐药细胞株形成的异种移植瘤也显示出与亲本肿瘤组织相比BCAT1表达的升高。此外还观察到，在短期高浓度新型第三代EGFR-TKI处理下，NCI-H1975细胞中BCAT1的表达增加。在其他TKI敏感细胞模型中也观察到了类似的趋势。这些结果表明，BCAT1在TKI耐药细胞和TKI耐受细胞中的表达上调。

为了评估BCAT1在肺癌中的临床相关性，研究者使用GSE31210数据集分析了原发性肺腺癌（LUAD）患者样本和正常肺组织中的BCAT1基因表达。基于随访期间的观察，将原发性LUAD患者进一步分为复发和非复发亚组。显著的是，与正常肺组织相比，BCAT1在原发性LUAD肿瘤中表达显著过高。此外，复发LUAD患者的肿瘤中BCAT1的表达高于非复发组。BCAT1的表达与LUAD患者的无复发生存（RFS）时间呈负相关。对补充数据库（GSE231938）的分析显示，与TKI敏感的NSCLC患者相比，TKI耐药NSCLC患者的样本中BCAT1表达升高。这些结果表明，BCAT1可能是与预后不良和TKI耐药性相关的潜在生物标志物。

BCAT1在体内和体外产生EGFR-TKI耐药性

在体外和体内模型中，研究者进一步评估了BCAT1对耐药细胞生长和存活的影响。通过特定短发夹RNA（shRNA）敲除BCAT1，显著抑制了67R和AZDR细胞的集落形成能力。使用BCAT1抑制剂可选择性减少耐药细胞的形成，而不影响亲本NCI-H1975细胞的生长。此外，BCAT1抑制剂可使67R和AZDR细胞对第三代EGFR-TKI的敏感性提高。这些结果证明了BCAT1在耐药细胞存活和药物耐药性中的关键作用。在进一步的研究中，研究团队在异种移植小鼠模型中确定了BCAT1在体内的功能作用。

BCAT1促进α-KG生成以支持耐药细胞的生长

BCAT1是负责从BCAA和α-KG可逆转化为BCKA和谷氨酸的关键酶，研究者使用稳定同位素示踪技术探索了BCAT1如何重新编程耐药细胞中的BCAA代谢。研究发现，BCAT1敲低显著降低了细胞中[ 13 C]-Leu_M+2/[ 13 C]-KIC_M+2的比例，而[ 13 C]-KIC_M+6/[ 13 C]-Leu_M+6的比例没有显著影响。这表明，在耐药细胞中高表达的BCAT1可能加速BCAA合成代谢而不是BCAA降解。进一步研究发现，耐药细胞内α-KG的累积显著高于原始细胞，而BCAA的总量保持不变。无论是基因敲除还是药理学抑制BCAT1，都会导致耐药细胞内α-KG水平的显著下降，但BCAA水平却未受到显著影响。这些结果表明，耐药细胞中BCAT1的上调主要导致了细胞内α-KG的积累，而不是BCAA的积累。

为了探索α-KG对耐药细胞生长的影响，研究者补充了可穿透细胞的α-KG衍生物（二甲基-α-KG，DM-αKG），这促进了细胞集落形成，并显著挽救了BCAT1抑制剂对67R细胞的抗肿瘤效应。此外，细胞增殖实验表明，补充α-KG不仅挽救了BCAT1抑制剂引起的生长抑制，而且还破坏了BCAT1抑制剂联合第三代EGFR-TKI在67R细胞中的协同抗生长效应。这些结果表明，BCAA代谢产物α-KG的增加有助于BCAT1介导的耐药细胞存活。

BCAT1通过α-KG依赖的H3K27去甲基化促进耐药性

研究发现，与亲本NCI-H1975细胞相比，67R耐药细胞中H3K27me3表达显著减少，H3K27me2和H3K27me1的水平也较低，而H3K79me2、H3K36me3、H3K9me1/2/3和H3K4me1/2/3的水平则无显著变化。这表明，BCAT1在67R细胞中的高表达通过α-KG依赖的方式负调控了H3K27me3。

值得注意的是，BCAT1的敲除显著增加了全局H3K27me3的表达，这可以通过补充α-KG来挽救。这表明67R细胞中高表达的BCAT1以α-KG依赖性方式负向调节H3K27me3。研究者进一步用一种细胞可穿透的抑制剂GSK-J4处理NCI-H1975和67R细胞，研究发现GSK-J4剂量依赖性地在67R耐药细胞中上调H3K27me3，而不会影响NCI-H1975细胞中的H3K27me3水平。此外，GSK-J4处理挽救了BCAT1敲除67R细胞中α-KG补充观察到的H3K27me3水平的下降，表明KDM6A/6B在调节α-KG依赖性H3K27me3去甲基化中的重要角色。此外，GSK-J4在67R细胞中表现出比NCI-H1975细胞更强的抑制生长活性，并且GSK-J4处理进一步使67R细胞对第三代EGFR-TKI抑制敏感。上述结果表明，BCAT1在TKI耐药细胞中介导的α-KG积累倾向于去甲基化抑制性染色质标记H3K27me3，而不是TET依赖性的DNA去甲基化。

BCAT1通过表观遗传调控糖酵解相关基因促进药物耐受性

由于H3K27me3是调控多种生物过程的常见标志物，推测α-KG介导的H3K27me3去甲基化导致目标基因的异常转录激活，从而引发促癌信号并最终赋予药物耐受性。研究者重新分析了在67R和NCI-H1975细胞之间显著变化的富集途径，结果发现，在BCAT1高表达的肺腺癌样本中，糖酵解/糖异生通路显著富集。基因集富集分析（GSEA）显示，BCAT1高表达与糖酵解基因特征呈正相关。为进一步验证BCAT1与耐药细胞中糖酵解的关系，研究人员进行了全转录组RNA测序（RNA-seq）和GSEA通路分析，结果表明，通过小干扰RNA（siRNA）敲低BCAT1显著降低了糖酵解通路中基因的表达。

研究结论

该研究揭示了BCAT1在第三代EGFR-TKI耐药NSCLC中扮演了至关重要的角色，BCAT1通过重新编程BCAA代谢，促进了α-KG的积累，这一代谢物通过α-KG依赖的组蛋白H3K27去甲基化，导致糖酵解相关基因的表达上调，增强了糖酵解，从而促进了肿瘤的进展和对EGFR-TK的耐药性。该研究结果支持将BCAT1作为治疗TKI耐药NSCLC的有希望的治疗靶点。

参考文献

Zhang T, Pan Z, Gao J, et al. Branched-chain amino acid transaminase 1 confers EGFR-TKI resistance through epigenetic glycolytic activation[J]. Signal Transduction and Targeted Therapy, 2024, 9(1): 216.

声明：本材料由阿斯利康提供，仅供医疗卫生专业人士参考

审批编号：CN-147485 过期日期：2025-02-19

责任编辑：肿瘤资讯-Yuno
排版编辑：肿瘤资讯-Julian

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