SPIN1

12月10日，中山大学刘卓炜教授研究团队在期刊《Advanced Science》上发表了研究论文，题为“Enhanced Oxidative Phosphorylation Driven by TACO1 Mitochondrial Translocation Promotes Stemness and Cisplatin Resistance in Bladder Cancer”，这项研究表明，TACO1与膀胱癌细胞的干性及顺铂耐药性有关。机制上，线粒体TACO1增强了MTCO1的翻译，通过上调OXPHOS，进而促进线粒体活性氧（mtROS）的产生，从而驱动癌症干性及顺铂耐药性。临床上，线粒体TACO1表达水平较高的膀胱癌患者对顺铂治疗的响应较差。本研究阐明了TACO1如何促进BCa干细胞样特性和顺铂耐药的机制，为缓解BCa的顺铂耐药性提供了潜在的靶点，并为预测顺铂响应提供了生物标志物。 12月10日，中山大学刘卓炜教授研究团队在期刊《Advanced Science》上发表了研究论文，题为“Enhanced Oxidative Phosphorylation Driven by TACO1 Mitochondrial Translocation Promotes Stemness and Cisplatin Resistance in Bladder Cancer”，这项研究表明，TACO1与膀胱癌细胞的干性及顺铂耐药性有关。机制上，线粒体TACO1增强了MTCO1的翻译，通过上调OXPHOS，进而促进线粒体活性氧（mtROS）的产生，从而驱动癌症干性及顺铂耐药性。临床上，线粒体TACO1表达水平较高的膀胱癌患者对顺铂治疗的响应较差。 本研究阐明了TACO1如何促进BCa干细胞样特性和顺铂耐药的机制，为缓解BCa的顺铂耐药性提供了潜在的靶点，并为预测顺铂响应提供了生物标志物。 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202408599 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202408599 研究背景 研究背景 01 01 膀胱癌（BCa）是泌尿系统最常见的恶性肿瘤之一，MIBC是一种特别具有侵袭性的亚型。在根治性膀胱切除术后，MIBC患者经常出现淋巴结转移，在某些情况下还会出现远处器官转移，导致50%的死亡率。尽管治疗不断取得进展，但顺铂为基础的化疗仍然是晚期和转移性BCa的主要治疗选择。可是，BCa经常对顺铂产生耐药性，导致癌症复发，5年总生存率（OS）低于40%。因此，克服BCa对顺铂的耐药性是一项严峻的临床挑战。 膀胱癌（BCa）是泌尿系统最常见的恶性肿瘤之一，MIBC是一种特别具有侵袭性的亚型。在根治性膀胱切除术后，MIBC患者经常出现淋巴结转移，在某些情况下还会出现远处器官转移，导致50%的死亡率。尽管治疗不断取得进展，但顺铂为基础的化疗仍然是晚期和转移性BCa的主要治疗选择。可是，BCa经常对顺铂产生耐药性，导致癌症复发，5年总生存率（OS）低于40%。因此，克服BCa对顺铂的耐药性是一项严峻的临床挑战。 癌干细胞（CSCs）通常通过表达CD44、CD133或乙醛脱氢酶（ALDH）等特定表面标志物来进行识别。CSCs在肿瘤对化疗产生耐药性方面发挥着关键作用。尽管在某些情况下，化疗可以有效地消除大多数癌细胞，但CSCs往往能够逃脱消除，这被认为是癌症复发和进展的关键因素，尤其是在如BCa这样的癌症中，在化疗后尤为如此。然而，目前尚不清楚癌细胞在发展化疗耐药性过程中如何维持其干细胞样特性。 癌干细胞（CSCs）通常通过表达CD44、CD133或乙醛脱氢酶（ALDH）等特定表面标志物来进行识别。CSCs在肿瘤对化疗产生耐药性方面发挥着关键作用。尽管在某些情况下，化疗可以有效地消除大多数癌细胞，但CSCs往往能够逃脱消除，这被认为是癌症复发和进展的关键因素，尤其是在如BCa这样的癌症中，在化疗后尤为如此。然而，目前尚不清楚癌细胞在发展化疗耐药性过程中如何维持其干细胞样特性。 能量代谢重编程通常发生在癌症进展过程中，使癌细胞能够适应复杂多变的肿瘤微环境和外部刺激。尤其是，CSCs的活跃代谢重塑过程为其提供了足够的能量来维持其特性。最近的研究强调，氧化磷酸化（OXPHOS）活性对于维持癌细胞的干细胞样特性及其对化疗的耐药性至关重要，这在实体肿瘤和血液恶性肿瘤中均有观察到。消除癌细胞中过度的OXPHOS已成为克服胰腺癌化疗耐药的一种潜在治疗方法。尽管已有这些发现，但导致癌细胞化学耐药性上调的分子机制仍不清楚。 能量代谢重编程通常发生在癌症进展过程中，使癌细胞能够适应复杂多变的肿瘤微环境和外部刺激。尤其是，CSCs的活跃代谢重塑过程为其提供了足够的能量来维持其特性。最近的研究强调，氧化磷酸化（OXPHOS）活性对于维持癌细胞的干细胞样特性及其对化疗的耐药性至关重要，这在实体肿瘤和血液恶性肿瘤中均有观察到。消除癌细胞中过度的OXPHOS已成为克服胰腺癌化疗耐药的一种潜在治疗方法。尽管已有这些发现，但导致癌细胞化学耐药性上调的分子机制仍不清楚。 TACO1通过MTCO1/OXPHOS轴促进BCa细胞的干性及顺铂耐药性 TACO1通过MTCO1/OXPHOS轴促进BCa细胞的干性及顺铂耐药性 02 02 研究人员在T24-CIS和UMUC3-CIS细胞中建立了TACO1稳定敲低细胞和在野生型J82细胞中建立了TACO1稳定过表达细胞。TACO1敲低降低了T24-CIS和UMUC3-CIS细胞的线粒体复合体IV活性和氧摄取率，而TACO1过表达增加了野生型J82细胞的线粒体复合体IV活性和氧摄取率，但对细胞外酸化率没有显著影响。研究人员同样发现，在BCa-CIS细胞中敲低TACO1会抑制MTCO1的表达，而在野生型J82细胞中过表达TACO1则会增强MTCO1的表达。鉴于TACO1对MTCO1 mRNA水平没有显著影响，研究人员推测TACO1可能影响MTCO1的翻译。通过分析，研究人员证实了TACO1在增强MTCO1翻译效率方面的作用。这些发现表明TACO1促进MTCO1蛋白表达，增强线粒体复合体IV活性、OXPHOS和mtROS。 研究人员在T24-CIS和UMUC3-CIS细胞中建立了TACO1稳定敲低细胞和在野生型J82细胞中建立了TACO1稳定过表达细胞。TACO1敲低降低了T24-CIS和UMUC3-CIS细胞的线粒体复合体IV活性和氧摄取率，而TACO1过表达增加了野生型J82细胞的线粒体复合体IV活性和氧摄取率，但对细胞外酸化率没有显著影响。研究人员同样发现，在BCa-CIS细胞中敲低TACO1会抑制MTCO1的表达，而在野生型J82细胞中过表达TACO1则会增强MTCO1的表达。鉴于TACO1对MTCO1 mRNA水平没有显著影响，研究人员推测TACO1可能影响MTCO1的翻译。通过分析，研究人员证实了TACO1在增强MTCO1翻译效率方面的作用。这些发现表明TACO1促进MTCO1蛋白表达，增强线粒体复合体IV活性、OXPHOS和mtROS。 鉴于OXPHOS增强了BCa细胞的干细胞特性和顺铂耐药性，研究人员推测TACO1也可能促进这些特性。正如预期的那样，在BCa-CIS细胞中敲低TACO1抑制了其干细胞特性和顺铂耐药性，而在野生型J82细胞中过表达TACO1则产生了相反的效果。然而，TACO1对BCa细胞的增殖能力没有显著影响。此外，在BCa-CIS细胞中敲低TACO1后观察到SOX2显著下调。相反，在野生型J82细胞中过表达TACO1促进了SOX2的表达。与体外研究结果一致，来自皮下肿瘤形成和原位BCa模型的数据表明，在体内敲低TACO1抑制了T24-CIS细胞的肿瘤起始能力和顺铂耐药性。 鉴于OXPHOS增强了BCa细胞的干细胞特性和顺铂耐药性，研究人员推测TACO1也可能促进这些特性。正如预期的那样，在BCa-CIS细胞中敲低TACO1抑制了其干细胞特性和顺铂耐药性，而在野生型J82细胞中过表达TACO1则产生了相反的效果。然而，TACO1对BCa细胞的增殖能力没有显著影响。此外，在BCa-CIS细胞中敲低TACO1后观察到SOX2显著下调。相反，在野生型J82细胞中过表达TACO1促进了SOX2的表达。与体外研究结果一致，来自皮下肿瘤形成和原位BCa模型的数据表明，在体内敲低TACO1抑制了T24-CIS细胞的肿瘤起始能力和顺铂耐药性。 TACO1促进BCa细胞的干细胞特性和顺铂耐药性 TACO1促进BCa细胞的干细胞特性和顺铂耐药性 为了证实TACO1在促进干细胞和顺铂耐药中的作用是通过MTCO1/OXPHOS/mtROS轴介导的，研究人员将MTCO1质粒转染到TACO1敲低的T24-CIS细胞中，并用GYY4137或MitoTEMPO处理它们。在重新引入MTCO1表达后，由TACO1敲低引起的复合物IV活性、OCR、mtROS、ALDH1+和CD44+百分比、SOX2表达水平和顺铂耐药性的下降得到了显著恢复，但在GYY4137的存在下，这种作用受到了损害。尤其是，在不影响复合物IV活性和OXPHOS的情况下消除mtROS也可以抑制MTCO1过表达的恢复作用。此外，消除mtROS还可以抑制T24-CIS细胞的顺铂耐药。这些结果共同表明TACO1促进MTCO1蛋白的表达，增强复合物IV活性和OXPHOS。这反过来又上调mtROS，随后促进BCa细胞的干细胞性和顺铂耐药性。 为了证实TACO1在促进干细胞和顺铂耐药中的作用是通过MTCO1/OXPHOS/mtROS轴介导的，研究人员将MTCO1质粒转染到TACO1敲低的T24-CIS细胞中，并用GYY4137或MitoTEMPO处理它们。在重新引入MTCO1表达后，由TACO1敲低引起的复合物IV活性、OCR、mtROS、ALDH1+和CD44+百分比、SOX2表达水平和顺铂耐药性的下降得到了显著恢复，但在GYY4137的存在下，这种作用受到了损害。尤其是，在不影响复合物IV活性和OXPHOS的情况下消除mtROS也可以抑制MTCO1过表达的恢复作用。此外，消除mtROS还可以抑制T24-CIS细胞的顺铂耐药。这些结果共同表明TACO1促进MTCO1蛋白的表达，增强复合物IV活性和OXPHOS。这反过来又上调mtROS，随后促进BCa细胞的干细胞性和顺铂耐药性。 结论 结论 03 03 本研究阐明了TACO1如何促进BCa干细胞样特性和顺铂耐药的机制，线粒体TACO1可以作为顺铂响应的生物标志物。针对TACO1-circFOXK2-HSP90β复合物的靶向治疗可能为膀胱癌治疗中的顺铂耐药提供精准治疗。（转化医学网360zhyx.com） 本研究阐明了TACO1如何促进BCa干细胞样特性和顺铂耐药的机制，线粒体TACO1可以作为顺铂响应的生物标志物。针对TACO1-circFOXK2-HSP90β复合物的靶向治疗可能为膀胱癌治疗中的顺铂耐药提供精准治疗。（转化医学网360zhyx.com） 【参考资料】 【参考资料】 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202408599 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202408599 【关于投稿】 【关于投稿】 转化医学网（360zhyx.com）是转化医学核心门户，旨在推动基础研究、临床诊疗和产业的发展，核心内容涵盖组学、检验、免疫、肿瘤、心血管、糖尿病等。如您有最新的研究内容发表，欢迎联系我们进行免费报道（公众号菜单栏-在线客服联系），我们的理念：内容创造价值，转化铸就未来！ 转化医学网（360zhyx.com）是转化医学核心门户，旨在推动基础研究、临床诊疗和产业的发展，核心内容涵盖组学、检验、免疫、肿瘤、心血管、糖尿病等。如您有最新的研究内容发表，欢迎联系我们进行免费报道（公众号菜单栏-在线客服联系），我们的理念：内容创造价值，转化铸就未来！ 转化医学网（360zhyx.com）发布的文章旨在介绍前沿医学研究进展，不能作为治疗方案使用；如需获得健康指导，请至正规医院就诊。 转化医学网（360zhyx.com）发布的文章旨在介绍前沿医学研究进展，不能作为治疗方案使用；如需获得健康指导，请至正规医院就诊。

引言 转座子（transposons），又称“跳跃基因”，是一类能够在基因组中自行复制并插入到新位置的DNA片段【1】。年轻、活跃的转座子的移动性和复制能力很强，会导致插入基因突变、重排和不稳定性【2】。生殖细胞（如精子和卵子）中需要严格的调控机制来抑制转座子的活动。PIWI-interacting RNA (piRNA) 通路正是其中一种重要机制，它通过引导DNA甲基化来沉默这些转座子，保护基因组完整性【3】。 在小鼠雄性生殖系中，piRNA能够介导MIWI2（PIWIL4）蛋白与年轻转座子转录本结合，启动SPOCD1蛋白介导的DNA甲基化，从而抑制这些转座子的表达和活动【4】。然而，DNA甲基化的精确度必须得到严格控制，避免误作用于正常基因区域而引起基因表达异常。因此，甲基化需要精确定位于转座子序列，但这种精确识别机制背后的分子机制仍不完全清楚。 近日，英国爱丁堡大学Dónal O’Carroll团队在Nature上发表了题为Two-factor authentication underpins the precision of the piRNA pathway的文章，揭示了piRNA通路引导年轻LINE1转座子DNA甲基化的精准控制机制。 piRNA指导的MIWI2通常是在转座子转录已经启动之后与其结合【5】，这表明，在MIWI2结合之前，可能已经存在某种染色质标记或蛋白复合物参与了对年轻转座子的初步识别。作者首先通过ChIP-seq（染色质免疫共沉淀-测序）技术分析了小鼠胚胎发育不同阶段（E13.5到E19.5）中年轻与年老转座子的染色质标记模式，发现年轻的LINE1转座子家族（如L1Md_T, L1Md_Gf, L1Md_A）在E13.5时就被H3K4me3和H3K9me3双重标记，而这一标记在piRNA启动前就已存在。 这种标记的存在提示可能有其他蛋白（如SPIN1）能够识别这些修饰并参与转座子的初步识别。SPIN1能够与特定染色质修饰（如H3K4me3）结合【6】，SPOCD1则是piRNA通路中与MIWI2相互作用并启动DNA甲基化的关键因子【7】。作者假设：SPOCD1与SPIN1之间的相互作用可能将转座子的染色质标记信息传递至DNA甲基化通路，形成连接染色质修饰与基因沉默的分子桥梁。 为了验证这一假设，作者通过免疫共沉淀、质谱分析等实验，发现SPOCD1的328-347氨基酸区域能够与SPIN1的TLD3结构域直接相互作用。接着，他们构建了SPOCD1突变体（Spocd1ΔSPIN1）小鼠，该突变体无法与SPIN1结合。突变体小鼠显示出严重的精子发生障碍，并且年轻LINE1转座子的DNA甲基化水平显著下降，这表明SPOCD1-SPIN1相互作用在piRNA引导的DNA甲基化中具有关键作用。 图1：展示了小鼠胚胎期（E16.5）睾丸切片中MIWI2和SPOCD1的定位（Credit: Nature） 最后，研究团队设计了时序依赖性实验，探究SPIN1在piRNA启动前（E13.5）是否已经定位于年轻转座子上。他们利用免疫染色与CUT&Tag（染色质免疫标记与目标分析）技术，验证了SPIN1在MIWI2表达前就已结合在H3K4me3与H3K9me3共修饰的年轻LINE1转座子上，表明SPIN1能够在MIWI2结合之前对转座子进行初步识别。 综上所述，文章揭示了piRNA引导的DNA甲基化过程中对年轻转座子的精确识别机制。研究表明，SPIN1能够通过识别H3K4me3-K9me3双重标记的年轻LINE1转座子，并通过与SPOCD1的相互作用介导初步识别。这一过程是piRNA指导MIWI2识别新生转录本的前提条件，即DNA甲基化启动前的第一步验证机制。而MIWI2与新生转录本的结合则是第二步验证机制，从而形成双重验证机制以确保DNA甲基化的精确性。 两步验证机制提高了对转座子的识别精确性，避免了异位甲基化对基因组功能的影响，还为理解转座子的调控机制提供了新的视角。未来的研究可以进一步探讨在其他类型的转座子（如IAP）中是否存在类似的识别与调控机制，并揭示参与转座子识别的其他蛋白与染色质标记，从而更全面地理解piRNA通路在基因组保护中的作用。 参考文献 1. Kazazian, H. H. (2004). Mobile elements: Drivers of genome evolution. Science, 303(5664), 1626-1632. 2. Aravin, A. A., Sachidanandam, R., Girard, A., Fejes-Toth, K. & Hannon, G. J. Developmentally regulated piRNA clusters implicate MILI in transposon control. Science 16, 744–747 (2007). 3. Ozata, D. M., Gainetdinov, I., Zoch, A., O’Carroll, D. & Zamore, P. D. PIWI-interacting RNAs:small RNAs with big functions. Nat. Rev. Genet. 20, 89–108 (2019). 4. Schöpp, T. et al. TEX15 is an essential executor of MIWI2-directed transposon DNA methylation and silencing. Nat. Commun. 11, 3739 (2020). 5. De Fazio, S. et al. The endonuclease activity of Mili fuels piRNA amplification that silencesLINE1 elements. Nature 480, 259–263 (2011). 6. Du, Y. et al. Structural mechanism of bivalent histone H3K4me3K9me3 recognition by the Spindlin1/C11orf84 complex in rRNA transcription activation. Nat. Commun. 12, 949 (2021). 7. Zoch, A. et al. SPOCD1 is an essential executor of piRNA-directed de novo DNA methylation.Nature 584, 635–639 (2020). https://www.nature.com/articles/s41586-024-07963-3 责编|探索君 排版|探索君 文章来源|“BioArt” End 往期精选 围观 一文读透细胞死亡(Cell Death) | 24年Cell重磅综述（长文收藏版） 热文 Cell | 是什么决定了细胞的大小？ 热文 Nature | 2024年值得关注的七项技术 热文 Nature | 自身免疫性疾病能被治愈吗？科学家们终于看到了希望 热文 CRISPR技术进化史 | 24年Cell综述

表观遗传机制是真核细胞丰富基因表达层次的重要策略。组蛋白翻译后修饰可以调控下游基因转录事件，不同组蛋白位点的不同的修饰类型通常需要被特定的“阅读器”识别，进而调控下游转录事件。转录共激活因子Spindlin1 具有串联的三个Tudor结构域，其中， 第一和第二个Tudor结构域的芳香笼口袋可以识别多种组蛋白甲基化修饰类型，其中包括H3K4me3, H4K20me3, H3“K4me3-R8me2a” 和 H3“K4me3-K9me3” 等（1-4）。然而， 由于第三个Tudor结构域由于不具有完整的芳香笼口袋，其功能尚未完全知晓。2017年，得克萨斯大学安德森癌症中心Mark Bedford 课题组鉴定 SPINDOC为Spindlin1的相互作用蛋白，并可以衰减Spindlin1的转录激活的作用，但是其分子机制尚未可知（5）。近日，清华大学李海涛课题组与德克萨斯大学安德森癌症中心Mark Bedford 课题组、清华大学高军涛副研究员紧密合作，针对此问题在《J Mol Biol 》杂志在线发表了最新研究成果：“Molecular Basis for SPINDOC-Spindlin1 Engagement and Its Role in Transcriptional Attenuation”。该项工作发现SPINDOC通过一段疏水肽段与Spindlin1形成稳定的复合物，同时位于疏水肽段前的碱性肽段可以竞争性抑制Spindlin1对组蛋白的识别作用，进而减弱Spindlin1对下游基因的转录共激活作用。本论文被J Mol Biol杂志即将出版的致敬已故表观遗传学先驱C David Allis教授的“Histone and DNA modifications（2024）”专辑收录。研究人员通过解析SPINDOC-Spindlin1的复合物晶体结构发现SPINDOC 一段疏水多肽形成反向平行的β-折叠片层，并稳定地与Spindlin1第三个Tudor结构域结合， 形成一个完整的β -折叠桶。值得注意的是，位于这段疏水肽段的前面还有一段富含碱性氨基酸的区域。体外ITC技术显示，尽管SPINDOC疏水肽段的结合并不影响Spindlin1对组蛋白和其他相互作用蛋白的结合能力，但位于疏水肽段前的富含碱性氨基酸的区域可以大大削弱Spindlin1对低亲和力组蛋白和相互作用蛋白的结合，比如非修饰的组蛋白H3, H3K4me3，H3K9me3 和TCF4等。然而，SPINDOC富含碱性氨基酸区域的结合并不影响Spindlin1对高亲和力的配体H3“K4me3-K9me3”的识别作用。进一步的晶体结构解析发现SPINDOC这段富含疏水氨基酸的肽段结合在Spindlin1的第二个芳香笼口袋和其周围的酸性表面，进而竞争性抑制组蛋白和其他相互作用蛋白与Spindlin1的结合。与此同时，ChIP-Seq，ChIP-qPCR和RT-qPCR实验显示SPINDOC可以影响Spindlin1的基因组分布模式，减弱Spindlin1在某些基因启动子区域的定位，并降低这些基因的转录水平，如Spindlin1的靶基因CyclinD1，rDNA，MYC等。与体外的生化实验一致，SPINDOC并不影响Spindlin1在双修饰H3“K4me3-K9me3”基因区域的定位。值得一提的是，来自香港大学的钱程民课题组在2021年报道了Spndlin1与SPINDOC疏水肽段和组蛋白二价修饰H3“K4me3-K9me3”多肽的三元复合物结构，并提出该识别事件激活rDNA转录（6），支持了我们SPINDOC不影响Spindlin1对高亲和力配体H3“K4me3-K9me3”识别的结论。SPINDOC 选择性衰减Spindlin1对弱结合伴侣的识别作用关于Spindlin1第三个Tudor结构域的功能，李海涛课题组在今年8月份还报道了另一个Spindlin1 第三个Tudor结构域的相互作用蛋白，乙型肝炎病毒（HBV）的调节蛋白HBx。HBx同样通过疏水作用结合在Spindlin1的 第三个Tudor结构域，并促进染色质cccDNA的基因表达。Spindlin1三个串联的Tudor结构域不仅可以通过识别组蛋白修饰影响个体发育过程中基因表达，同时还可以通过影响HBV基因组的转录来维持HBV生命周期。清华大学李海涛教授，得克萨斯大学安德森癌症中心Mark Bedford 教授和清华大学高军涛副研究员为共同通讯作者，李海涛实验室已毕业博士生赵帆，2017级医学实验班邓雅方同学，Bedford实验室杨芬博士和高军涛实验室的严琰同学为本论文的共同第一作者，李海涛实验室的冯帆和彭博同学对本工作有重要贡献。同时，上海同步辐射光源和清华大学X-ray晶体学平台给予了大力协助。本项目得到山西医科大学-清华大学医学院前沿医学协同创新中心、清华-北大生命科学联合中心、分子肿瘤学全国重点实验室、北京生物结构前沿研究中心的大力支持。全文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmb.2023.168371本文仅用于学术分享，转载请注明出处。若有侵权，请联系微信：bioonSir 删除或修改！