TGM2介导的组蛋白血清素化通过MYC信号通路促进HCC进展

背景：

TGM2在促进HCC进展中的作用以及作为HCC治疗靶点的潜力尚待探索

肝细胞癌（HCC）是一种侵袭性恶性肿瘤，由于进展迅速和治疗抵抗，HCC患者的长期生存率不尽人意。持续探索HCC进展的分子机制并确定新的靶向治疗方法以改进现有治疗策略仍然至关重要。TGM2广泛分布于细胞质、细胞核、线粒体、细胞膜等亚细胞结构中，其酶活性和功能也受亚细胞定位的影响。TGM2促进HCC细胞的增殖、迁移和侵袭，而其缺失则会诱导肝癌干细胞的凋亡。5-羟色胺（5-HT，也称血清素）是一种由必需氨基酸色氨酸（Trp）产生的单胺类神经递质，血小板分泌的5-HT在肝癌细胞的免疫调节、血管生成、增殖和转移中起着至关重要的作用，其通过转谷氨酰胺酶2（TGM2）催化蛋白质单胺化。研究表明，位于细胞核内的TGM2能够调控5-羟色胺（5-HT）对组蛋白H3第5位谷氨酰胺残基的五羟色胺化修饰（H3Q5ser）。该修饰被认为可增强或稳定H3K4me3，进而协同参与基因表达调控。然而，TGM2在HCC中的确切机制及其介导的H3Q5ser修饰在肝癌发生发展中的具体作用，仍有待深入研究。

本研究采用腺相关病毒（AAV）介导的肝特异性过表达Tgm2或H3.3模型来验证H3Q5ser对HCC进展的影响。采用CUT&Tag和RNA测序来研究其潜在机制。使用HCC类器官、皮下异种移植模型和流体动力尾静脉注射(HTVi)模型来评估TGM2抑制剂的治疗效果。旨在探索TGM2在促进HCC进展中的作用，并评估其作为HCC治疗靶点的潜力。

结果：

与癌旁组织相比，5-HT在HCC肿瘤组织中积累

肝细胞通过色氨酸（Trp）代谢的内源性合成或血清素转运体外源性摄取积累细胞内5-HT。已有数据证实，与邻近癌旁组织相比，HCC组织中Trp摄取更高。已发表的数据集证实，主要执行降解的犬尿氨酸代谢通路在HCC中被抑制，降解酶MAOA在肿瘤组织中表达低，而合成酶TPH1及转运体SERT和ENT4在肿瘤组织中高表达。内部数据也发现了5-HT含量在HCC患者血清中比健康供体高，肿瘤组织比邻近癌旁组织高。血清素转运体SERT和ENT4在肿瘤组织中高表达，而降解酶MAOA低表达。以上结果表明，HCC组织中5-HT合成增加、摄取增强且降解减少，导致其积累。

TGM2水平升高预示HCC预后不良

为确认TGM2在HCC中的表达模式，研究通过蛋白质印迹和免疫组化分析发现，与邻近癌旁组织相比，TGM2表达及H3Q5ser水平在HCC组织中升高。研究数据预后分析显示TGM2高表达患者OS（总生存期）和DFS（无病生存期）更短。此外，已发表和研究患者临床病理数据表明，TGM2表达与较高的AFP水平、较差的肿瘤分化程度和更晚期的BCLC分期呈正相关。多因素回归分析证实，TGM2高表达是OS和DFS较短的独立风险因素。

核定位的TGM2促进HCC疾病进展

为进一步确定TGM2在HCC癌变和进展中的功能，研究测量了七种肝癌细胞系中TGM2的核蛋白和胞质蛋白水平，并建立了TGM2敲除和核特异性过表达的细胞系。体内实验表明TGM2过表达显著促进HCC细胞体外增殖，而核内敲除TGM2可显著抑制肿瘤生长。在皮下异种移植小鼠模型中，TGM2过表达显著同样促进了HCC细胞生长。此外，研究还证实TGM2在体外诱导HCC细胞更强迁移和侵袭能力。而肝脏特异性TGM2敲除小鼠并无明显肿瘤形成，且表现出更高的存活率。这些结果说明了核定位的TGM2促进HCC细胞增殖、迁移、侵袭及肿瘤发生发展。

TGM2通过其转谷氨酰胺酶活性介导的H3Q5ser修饰促进HCC进展

核定位的TGM2与H3Q5ser修饰密切相关。为探索其转谷氨酰胺酶活性介导的H3Q5ser修饰在HCC进展中的作用，研究特异性敲除TGM2后，建立了过表达野生型TGM2或转谷氨酰胺酶活性缺陷突变体（W241A）的HCC细胞系。体内外实验证实具有完整转谷氨酰胺酶活性的过表达TGM2组中HCC细胞增殖最快，小鼠肿瘤形成最大，存活率最低。表明TGM2通过转谷氨酰胺酶活性介导的H3Q5ser修饰促进HCC进展。

H3Q5ser修饰增强MYC靶基因的转录

为进一步探索TGM2介导的H3Q5ser修饰如何促进HCC进展，对用TGM2转谷氨酰胺酶活性抑制剂GK921处理的MHCC-97H细胞进行了H3K4me3和H3K4me3Q5ser CUT&Tag测序，发现H3Q5ser修饰广泛分布于整个基因组，约90%富集于启动子区域。基因集富集分析（GSEA）显示，H3K4me3和H3K4me3Q5ser显著富集于包括MYC信号通路在内的几个关键肿瘤发生相关信号通路。H3K4me3Q5ser（或H3K4me3）峰在所有样本中均与基因表达呈正相关。RNA测序数据的GSEA分析显示，GK921处理后MYC信号通路受到显著抑制。H3K4me3Q5ser图谱与RNA测序数据集之间的一致性支持TGM2介导的H3Q5ser修饰标记HCC中MYC靶基因的假设。ChIP-qPCR实验证实只有具有完整转谷氨酰胺酶活性的TGM2提升MYC靶基因上的H3K4me3和H3Q5ser水平。这些发现表明，核定位TGM2介导的H3Q5ser修饰增强了MYC靶基因的转录。

TRIM28介导TGM2与MYC相互作用

研究对TGM2进行了HuProt人类蛋白质组芯片和质谱（MS)分析，以识别其相互作用蛋白，旨在探索TGM2转谷氨酰胺酶活性介导的H3Q5ser修饰如何调控MYC靶基因的表达。结果显示TRIM28可能与TGM2结合。TGM2/TRIM28/MYC三元复合物的3D结构对接结果反映TRIM28介导了TGM2向MYC的募集。co-IP实验和CHIP-qPCR实验分别证实三种蛋白质之间的相互作用以及TRIM28在MYC靶基因的启动子上结合。此外，MYC或TRIM28敲除下调了MYC靶基因上的H3K4me3和H3Q5ser水平。而H3K9ac和H3K14ac的水平在TRIM28敲低后下降，而非在TGM2和MYC敲低后下降。数据分析显示，TGM2与MYC之间以及TGM2与TRIM28之间呈正相关。总体而言，TRIM28通过介导TGM2向MYC的募集，促进了MYC靶基因上的H3Q5ser修饰。

靶向TGM2转谷氨酰胺酶活性在临床前模型中抑制HCC进展

为揭示TGM2在HCC中作为治疗靶点的潜力，研究开展了TGM2抑制剂GK921的功能探索。特异性抑制剂GK921在集落形成实验中表现出显著的抑制效果。GK921在动物模型中可抑制HCC抑制肿瘤进展，降低H3Q5ser和MYC靶基因的表达。此外，在人HCC类器官模型中，GK921与索拉非尼具有协同作用，未引起显著的骨髓抑制或组织损伤。由此可见，靶向TGM2转谷氨酰胺酶活性，可能是一种有前景的HCC治疗策略。

结论：

TGM2可作为预后生物标志物，靶向其转谷氨酰胺酶活性可能是抑制HCC进展的有效策略

TMG2表达与较高的AFP水平、较差的肿瘤分化程度和较晚的BCLC分期呈正相关。TGM2缺失或H3Q5ser抑制显著抑制了HCC进展。CUT&Tag和RNA测序分析显示，在使用TGM2抑制剂处理后，下调的基因富集于MYC通路。此外，转录中介因子1β介导了TGM2向MYC的募集，促进了MYC靶基因上的H3Q5ser修饰。最后，靶向TGM2的转谷氨酰胺酶活性显著抑制了HCC进展，并在临床前模型中显示出与索拉非尼治疗的协同作用。TGM2抑制剂未引起显著的骨髓抑制或组织损伤。这项临床前研究为探索HCC治疗新策略提供了理论基础。

参考文献

Dong R, Wang T, Dong W,et al. TGM2-mediated histone serotonylation promotes HCC progression via MYC signalling pathway. J Hepatol. 2025 Jul;83(1):105-118.

审批编号：CN-190736

有效期至：2027-08-18

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撰写：Nico

审核：Nico

排版：Aurora

执行：Zelda

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