Nat Commun（IF 14.919）| 多组学揭示USP22调控肝癌脂代谢紊乱新机制
2022-05-09
中科新生命
1859
细胞代谢失调是癌症的重要特征之一。脂肪酸和脂质作为关键的信号因子、能量来源和细胞膜组成成分，在细胞增殖中具有关键作用。然而，迄今为止，在肝癌的治疗中靶向脂质合成的临床进展有限。
2022年4月21日，中国科学院大连化学物理研究所朴海龙团队、许国旺团队和大连医科大学附属第一医院谭广团队合作在Nature Communications (IF 14.919)杂志上发表了题为“USP22 regulates lipidome accumulation by stabilizing PPARγ in hepatocellular carcinoma”的研究成果，通过对肝癌及癌旁组织进行非靶向代谢组学和蛋白质组学分析，发现泛素特异性蛋白酶22(USP22)与脂质合成异常上调密切相关，并进一步通过同位素示踪、免疫共沉淀、肿瘤异种移植等证实USP22通过去泛素化并稳定脂肪酸合成关键转录因子PPARγ的表达，进而上调脂肪酸从头合成并促进肿瘤发生。
研究材料
肝癌和癌旁组织；人肝癌细胞；异种移植肿瘤模型
技术路线
· 步骤1：HCC脂质代谢异常与USP22显著相关；
· 步骤2：USP22促进HCC细胞脂质积累；
· 步骤3：USP22通过与PPARγ相互作用调控ACC和ACLY转录；
· 步骤4：USP22通过PPARγ上调ACC和ACLY参与HCC肿瘤发生；
· 步骤5：USP22-PPARγ/ACC/ACLY与肝癌预后不良显著相关。
研究结果
1. HCC脂质代谢异常与USP22显著相关
作者采用非靶向代谢组学方法对HCC的癌和癌旁组织进行分析，发现与癌旁组织相比，癌组织中共有47个代谢物发生了显著改变，其中上调代谢物主要是脂质和类脂分子（22/26）。KEGG通路分析表明癌组织中的差异代谢物主要参与脂质生物合成。进一步对癌和癌旁组织中的泛素特异性蛋白酶(USPs)进行分析，发现USP22表达最高，且与脂质和类脂分子上调显著相关，表明USP22可能参与HCC癌组织中的脂质生物学合成。
图1 高表达USP22的HCC脂质代谢异常
2. USP22 促进HCC细胞脂质积累
作者分别构建了USP22敲低和过表达细胞系，通过代谢组学分析共获得53个差异代谢物，其中34个代谢物表达趋势相反，主要参与脂肪酸合成途径。采用代谢流分析脂肪酸的合成过程，发现USP22敲低细胞中棕榈酸和硬脂酸标记显著降低，而过表达细胞中标记显著增加。并且USP22过表达细胞中甘油三酯显著增加。表明USP22在肝细胞脂质含量积累中发挥关键作用，并可能促进肝细胞中脂肪酸的从头合成。进一步通过转录组学、qPCR和WB分析发现USP22可以通过脂肪酸合成关键酶ACC和ACLY的转录上调促进脂肪酸从头合成从而积累脂肪酸。
图2 USP22通过ACC和ACLY的转录上调促进脂质积累
3. USP22通过与PPARγ相互作用调控ACC和ACLY转录
作者通过IP-MS发现USP22的潜在底物PPARγ——脂质代谢转录因子。此外，在MHCC-97L、HUH7、HepG2、SNU449和Bel-7402细胞中同样发现了USP22的靶蛋白PPARγ。体外pull down实验再次验证了USP22与PPARγ的直接相互作用。免疫荧光染色结果显示USP22和PPARγ主要定位于肝癌细胞的细胞核。
图3 USP22与脂质代谢关键转录因子PPARγ相互作用
接着，作者进一步通过去泛素化实验发现，USP22敲低细胞中PPARγ多泛素化水平显著升高，而USP22过表达细胞中PPARγ去泛素化作用增强。体外实验也证明USP22可以显著促进PPARγ去泛素化。并且赖氨酸-169可能是USP22调控PPARγ去泛素化的重要位点。
图4 USP22的去泛素化作用
4. USP22通过PPARγ上调ACC和ACLY参与HCC肿瘤发生
敲低PPARγ或ACC后，葡萄糖示踪剂对脂肪酸的标记显著降低；而回补PPARγ显著增加了USP22敲低细胞中脂肪酸标记。此外，油红染色也证实了TG的积累趋势。表明USP22通过稳定PPARγ上调脂肪酸的生物合成。
进一步进行异种移植瘤分析，发现过表达USP2的小鼠肿瘤更大；而同时过表达USP22并敲除PPARγ、ACC或ACLY的小鼠肿瘤生长速度较慢。过表达USP22的肿瘤中PPARγ、ACC和ACLY表达上调；过表达PPARγ可以恢复USP22敲低细胞中ACC和ACLY的表达。表明过表达USP22可以通过PPARγ介导的ACACA和ACLY的表达激活体内脂肪酸信号的从头合成。
图5 USP22通过PPARγ上调ACC和ACLY参与HCC的肿瘤发生
5. USP22-PPARγ/ACC/ACLY与肝癌预后不良显著相关
IHC分析显示肝癌TMAs中USP22的表达与PPARγ、ACC或ACLY的表达呈正相关。并且USP22或PPARγ水平较高的患者总生存期较短；USP22和PPARγ水平均高的患者总体生存期更差。进一步利用TCGA数据集明确了USP22、PPARγ、ACC和ACLY的高表达与HCC患者不良预后的显著相关性。
图6 USP22-PPARγ/ACC/ACLY轴与肝癌预后显著相关
小编小结
本研究作者利用转录组、代谢组和IP-MS等方法，发现USP22是脂肪酸从头合成的关键调控因子，通过直接与PPARγ相互作用介导ACLY/ACC的表达调控脂肪酸从头合成。此外，在临床HCC样本中发现USP22的高表达与PPARγ、ACLY或ACC的表达呈正相关，并与不良预后相关。本研究为HCC预后风险评估和基于靶向脂质合成的治疗提供了理论基础。
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