多組學揭示USP22調控肝癌脂代謝紊亂新機制
細胞代謝失調是癌癥的重要特征之一。脂肪酸和脂質作為關鍵的信號因子、能量來源和細胞膜組成成分，在細胞增殖中具有關鍵作用。然而，迄今為止，在肝癌的治療中靶向脂質合成的臨床進展有限。
2022年4月21日，中國科學院大連化學物理研究所樸海龍團隊、許國旺團隊和大連醫科大學附屬第一醫院譚廣團隊合作在Nature Communications (IF 14.919)雜志上發表了題為“USP22 regulates lipidome accumulation by stabilizing PPARγ in hepatocellular carcinoma”的研究成果，通過對肝癌及癌旁組織進行非靶向代謝組學和蛋白質組學分析，發現泛素特異性蛋白酶22(USP22)與脂質合成異常上調密切相關，并進一步通過同位素示蹤、免疫共沉淀、腫瘤異種移植等證實USP22通過去泛素化并穩定脂肪酸合成關鍵轉錄因子PPARγ的表達，進而上調脂肪酸從頭合成并促進腫瘤發生。
研究材料
肝癌和癌旁組織；人肝癌細胞；異種移植腫瘤模型
技術路線
· 步驟1：HCC脂質代謝異常與USP22顯著相關；
· 步驟2：USP22促進HCC細胞脂質積累；
· 步驟3：USP22通過與PPARγ相互作用調控ACC和ACLY轉錄；
· 步驟4：USP22通過PPARγ上調ACC和ACLY參與HCC腫瘤發生；
· 步驟5：USP22-PPARγ/ACC/ACLY與肝癌預后不良顯著相關。
研究結果
1. HCC脂質代謝異常與USP22顯著相關
作者采用非靶向代謝組學方法對HCC的癌和癌旁組織進行分析，發現與癌旁組織相比，癌組織中共有47個代謝物發生了顯著改變，其中上調代謝物主要是脂質和類脂分子（22/26）。KEGG通路分析表明癌組織中的差異代謝物主要參與脂質生物合成。進一步對癌和癌旁組織中的泛素特異性蛋白酶(USPs)進行分析，發現USP22表達最高，且與脂質和類脂分子上調顯著相關，表明USP22可能參與HCC癌組織中的脂質生物學合成。
圖1 高表達USP22的HCC脂質代謝異常
2. USP22 促進HCC細胞脂質積累
作者分別構建了USP22敲低和過表達細胞系，通過代謝組學分析共獲得53個差異代謝物，其中34個代謝物表達趨勢相反，主要參與脂肪酸合成途徑。采用代謝流分析脂肪酸的合成過程，發現USP22敲低細胞中棕櫚酸和硬脂酸標記顯著降低，而過表達細胞中標記顯著增加。并且USP22過表達細胞中甘油三酯顯著增加。表明USP22在肝細胞脂質含量積累中發揮關鍵作用，并可能促進肝細胞中脂肪酸的從頭合成。進一步通過轉錄組學、qPCR和WB分析發現USP22可以通過脂肪酸合成關鍵酶ACC和ACLY的轉錄上調促進脂肪酸從頭合成從而積累脂肪酸。
圖2 USP22通過ACC和ACLY的轉錄上調促進脂質積累
3. USP22通過與PPARγ相互作用調控ACC和ACLY轉錄
作者通過IP-MS發現USP22的潛在底物PPARγ——脂質代謝轉錄因子。此外，在MHCC-97L、HUH7、HepG2、SNU449和Bel-7402細胞中同樣發現了USP22的靶蛋白PPARγ。體外pull down實驗再次驗證了USP22與PPARγ的直接相互作用。免疫熒光染色結果顯示USP22和PPARγ主要定位于肝癌細胞的細胞核。
圖3 USP22與脂質代謝關鍵轉錄因子PPARγ相互作用
接著，作者進一步通過去泛素化實驗發現，USP22敲低細胞中PPARγ多泛素化水平顯著升高，而USP22過表達細胞中PPARγ去泛素化作用增強。體外實驗也證明USP22可以顯著促進PPARγ去泛素化。并且賴氨酸-169可能是USP22調控PPARγ去泛素化的重要位點。
圖4 USP22的去泛素化作用
4. USP22通過PPARγ上調ACC和ACLY參與HCC腫瘤發生
敲低PPARγ或ACC后，葡萄糖示蹤劑對脂肪酸的標記顯著降低；而回補PPARγ顯著增加了USP22敲低細胞中脂肪酸標記。此外，油紅染色也證實了TG的積累趨勢。表明USP22通過穩定PPARγ上調脂肪酸的生物合成。
進一步進行異種移植瘤分析，發現過表達USP2的小鼠腫瘤更大；而同時過表達USP22并敲除PPARγ、ACC或ACLY的小鼠腫瘤生長速度較慢。過表達USP22的腫瘤中PPARγ、ACC和ACLY表達上調；過表達PPARγ可以恢復USP22敲低細胞中ACC和ACLY的表達。表明過表達USP22可以通過PPARγ介導的ACACA和ACLY的表達激活體內脂肪酸信號的從頭合成。
圖5 USP22通過PPARγ上調ACC和ACLY參與HCC的腫瘤發生
5. USP22-PPARγ/ACC/ACLY與肝癌預后不良顯著相關
IHC分析顯示肝癌TMAs中USP22的表達與PPARγ、ACC或ACLY的表達呈正相關。并且USP22或PPARγ水平較高的患者總生存期較短；USP22和PPARγ水平均高的患者總體生存期更差。進一步利用TCGA數據集明確了USP22、PPARγ、ACC和ACLY的高表達與HCC患者不良預后的顯著相關性。
圖6 USP22-PPARγ/ACC/ACLY軸與肝癌預后顯著相關
小編小結
本研究作者利用轉錄組、代謝組和IP-MS等方法，發現USP22是脂肪酸從頭合成的關鍵調控因子，通過直接與PPARγ相互作用介導ACLY/ACC的表達調控脂肪酸從頭合成。此外，在臨床HCC樣本中發現USP22的高表達與PPARγ、ACLY或ACC的表達呈正相關，并與不良預后相關。本研究為HCC預后風險評估和基于靶向脂質合成的治療提供了理論基礎。
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