Enzimele metabolice în nucleu: o nouă dimensiune a interacțiunii dintre metabolism și epigenetică în cancer

Un studiu publicat în revista Nature Communications a realizat o analiză sistematică a proteinelor asociate cromatinei în multiple tipuri de țesuturi sănătoase și tumorale, evidențiind o prezență extinsă a enzimelor metabolice în nucleul celular. Cercetarea condusă de Centrul pentru Reglementare Genomică arată că numeroase enzime implicate în metabolismul energetic sau în metabolismul unui singur carbon se localizează pe cromatină și pot participa la procese esențiale precum repararea ADN-ului și reglarea transcripției, sugerând o interacțiune directă între metabolism și organizarea epigenetică a genomului.

Idei principale

• Analiza proteomică a cromatinei din 44 de linii celulare tumorale și 10 tipuri de celule sănătoase a identificat peste 5.100 de proteine per probă.
• Un nucleu comun al cromatinei a inclus 3.467 de proteine, dintre care peste 200 erau enzime metabolice.
• Complexele implicate în fosforilarea oxidativă au reprezentat una dintre cele mai complete căi metabolice detectate pe cromatină.
• Localizarea nucleară a enzimelor metabolice variază în funcție de tipul de țesut și tipul de cancer.
• Enzime din metabolismul unui singur carbon, precum MTHFD1, ATIC, GART și IMPDH2, sunt recrutate pe cromatină în timpul răspunsului la leziuni ADN.
• Distribuția subcelulară a enzimei IMPDH2 influențează expresia genelor implicate în repararea ADN și în semnalizarea MAPK.

Context

Transformarea tumorală implică modificări profunde atât în metabolismul celular, cât și în reglarea epigenetică a expresiei genelor. În mod tradițional, legătura dintre aceste două procese era considerată indirectă: metaboliții precum acetil-CoA, S-adenozilmetionina sau adenozin-trifosfatul furnizează substraturi pentru modificări epigenetice, iar aceste modificări influențează ulterior expresia genelor implicate în metabolism.

În ultimii ani au apărut însă dovezi că unele enzime metabolice pot avea roluri suplimentare în nucleu, fenomen denumit moonlighting nuclear. Exemple cunoscute includ:

• GAPDH, implicată în controlul genelor asociate apoptozei și în repararea ADN;
• PKM2, care reglează modificări ale histonelor;
• ACLY sau ACSS2, care pot genera acetil-CoA direct în nucleu;
• MTHFD1, implicată în reprogramarea transcripțională asociată cancerului.

Totuși, până la acest studiu nu exista o analiză sistematică care să identifice la scară largă enzimele metabolice asociate cromatinei.

Despre studiu

Designul experimental

Cercetătorii au optimizat un protocol de fracționare celulară pentru a izola proteinele legate de cromatină. Procedura a inclus:

• liză citoplasmatică și nucleară secvențială;
• fragmentarea cromatinei prin sonicare;
• digestia cromatinei cu benzonază pentru eliberarea proteinelor asociate.

Acest protocol a fost aplicat pe 44 de linii celulare tumorale și 10 tipuri de celule primare sănătoase, provenind din 10 tipuri diferite de țesut. Analiza proteomică a fost realizată prin spectrometrie de masă cu achiziție independentă de date.

Identificarea chromatome-ului

În fiecare probă au fost detectate aproximativ 5.100 de proteine, iar analiza globală a permis definirea unui nucleu stabil al cromatinei, format din 3.467 de proteine identificate constant în majoritatea probelor.

Interesant, aproximativ 42% dintre proteinele detectate nu erau anterior adnotate ca proteine nucleare, sugerând existența unui număr mare de proteine cu funcții nucleare necaracterizate.

Prezența enzimelor metabolice pe cromatină

Analiza ontologică a proteinelor a arătat că peste 7% din proteinele cromatinei identificate erau enzime metabolice, adică peste 200 de enzime.

Printre cele mai reprezentate căi metabolice s-au numărat:

• fosforilarea oxidativă;
• metabolismul purinelor;
• metabolismul piruvatului;
• metabolismul steroidelor.

Calea metabolică cea mai complet reprezentată pe cromatină a fost fosforilarea oxidativă, cu peste 60% dintre subunitățile proteinelor detectate în nucleu.

Rezultate

Localizarea nucleară a enzimelor OXPHOS

Studiul a identificat numeroase subunități ale complexelor mitocondriale de fosforilare oxidativă pe cromatină. Prezența acestora a fost dependentă de tipul de țesut.

• În celulele de cancer mamar, subunitățile OXPHOS erau mai abundente pe cromatină.
• În celulele de cancer pulmonar, aceste proteine erau mult mai puțin reprezentate.

Analiza imunofluorescenței a confirmat acumularea nucleară a proteinelor:

• CYC1 (complex III);
• COX4 (complex IV);
• ATP5A1 (complex V).

În celulele de cancer mamar, COX4 prezenta frecvent localizare nucleolară, fenomen observat în aproximativ 10% dintre nucleele analizate, dar absent în țesutul pulmonar tumoral.

Diferențe între țesuturi

Profilul metabolic nuclear a variat semnificativ între țesuturi:

• celulele sanguine prezentau o abundență crescută a enzimelor metabolismului purinic;
• celulele cutanate și mamare prezentau niveluri crescute ale proteinelor OXPHOS;
• celulele pulmonare erau relativ sărace în aceste enzime.

Enzimele metabolismului unui singur carbon și repararea ADN

Analiza covariației proteinelor a evidențiat o asociere puternică între enzimele metabolismului unui singur carbon și procesele nucleare implicate în:

• organizarea cromozomilor;
• metabolismul ADN;
• repararea ADN.

În experimentele cu celule HeLa expuse la radiații ionizante (10 Gy), enzimele:

• MTHFD1
• ATIC
• GART
• IMPDH2

au prezentat o creștere semnificativă a recrutării pe cromatină în timpul procesului de reparare a ADN. După 24 de ore de recuperare, toate aceste enzime prezentau niveluri nucleare crescute comparativ cu starea bazală.

Analiza la nivel unicelular a demonstrat o corelație pozitivă între intensitatea semnalului γH2AX (marker al rupturilor duble de ADN) și nivelul nuclear al acestor enzime, sugerând că recrutarea lor depinde de gradul de deteriorare genomică.

Rolul nuclear al enzimei IMPDH2

Pentru a evalua rolul funcțional al localizării nucleare, cercetătorii au utilizat celule MDA-MB-231 cu deleție genetică a genei IMPDH2, reconstituite ulterior cu variante:

• localizate exclusiv nuclear;
• localizate exclusiv citoplasmatic.

Analiza transcriptomică a arătat că enzima influențează mai multe procese:

• stabilitatea genomică;
• repararea ADN;
• activitatea căii de semnalizare MAPK.

Localizarea nucleară a IMPDH2 a determinat:

• suprimarea expresiei DCAF8L1, un regulator al degradării proteinelor BRCA1 și BARD1;
• creșterea nivelului nuclear al proteinei BRCA1;
• activarea preferențială a axei MEK2–ERK1 în calea MAPK.

Concluzii

Studiul oferă prima hartă sistematică a enzimelor metabolice asociate cromatinei în celulele umane și demonstrează că metabolismul nuclear reprezintă o componentă importantă a biologiei cromatinei. Prezența pe cromatină a enzimelor implicate în fosforilarea oxidativă sau în metabolismul unui singur carbon sugerează că procesele metabolice pot participa direct la reglarea expresiei genelor și la repararea ADN.

Aceste rezultate deschid noi direcții de cercetare privind rolul metabolismului nuclear în cancer și sugerează că nivelurile nucleare ale unor enzime metabolice ar putea deveni biomarkeri ai capacității de reparare a ADN sau ai răspunsului la terapii oncologice.