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热点六 乳酸在DNA修复和化疗耐药中的关键作用
【命题热点】
肿瘤细胞的一个显著特征是在有氧条件下，它们更倾向于通过无氧糖酵解方式来代谢葡萄糖，而非选择效率更高的线粒体氧化磷酸化途径。这一现象，被称为Warburg效应，由Otto Warburg在1923年首次提出，并在1931年因此获得诺贝尔奖。然而，关于肿瘤为何选择糖酵解代谢以及其背后的生物学功能，科学家们至今仍知之甚少。历经百年的研究，这一现象背后的机制仍然是一个未解之谜。
Warburg效应的一个直接后果是乳酸在癌细胞内的积累。尽管乳酸在癌症代谢中的角色已经引起了广泛关注，但其具体作用，特别是在DNA修复和化疗耐药方面的影响，尚不完全清晰。
近日，中山大学附属第七医院的何裕隆和张常华教授团队，联合中山大学孙逸仙纪念医院及英国癌症研究院，在《自然》杂志上发表了新研究成果。他们揭示了乳酸通过NBS1蛋白的乳酸化修饰在DNA修复和化疗耐药中的关键作用，为癌症治疗提供了新的策略和靶点。
研究团队综合运用蛋白质组学和代谢组学方法，深入探讨了新辅助化疗敏感与耐药胃癌肿瘤组织的差异。他们发现，耐药肿瘤组织中糖酵解通路呈现显著上调趋势，同时乳酸水平也明显升高。进一步在小鼠PDX模型和类器官模型中的实验显示，乳酸能够削弱化疗的抗肿瘤效果，即促进荷瘤小鼠的化疗耐药，从而揭示了乳酸在肿瘤耐药形成中的关键作用。
随后，研究团队深入探究了乳酸影响肿瘤耐药的分子机制。他们发现，乳酸能够显著增强DNA同源重组修复（HRR）的能力。在化疗导致DNA损伤后，肿瘤细胞通过乳酸的快速修复受损DNA，进而降低治疗效果，导致耐药性的产生。
为了进一步揭示乳酸化修饰在其中的作用，研究团队又探讨了乳酸是否通过影响NBS1蛋白的乳酸化修饰来促进肿瘤细胞对化疗的耐药性。他们发现，在化疗耐药肿瘤细胞系及患者肿瘤组织样本中，乳酸化修饰的水平显著上升。这一发现进一步证实了乳酸化修饰在肿瘤耐药中的重要作用。
为了深入探索其中的分子机制，研究团队采用了4D-无标记乳酸化修饰蛋白质组学分析方法，成功筛选出乳酸化修饰的底物蛋白——NBS1。NBS1基因与Nijmegen断裂综合征相关，其突变会导致染色质不稳定等特征。研究发现，NBS1蛋白与MRE11和RAD50蛋白共同形成MRE11-RAD50-NBS1（MRN）复合物，在DNA复制和双链断裂修复中发挥关键作用。同时，研究还发现NBS1蛋白存在乳酸化修饰，且在耐药的肿瘤细胞系中该修饰显著上调。进一步的研究表明，乳酸能够增强NBS1蛋白的乳酸化修饰。通过乳酸化修饰质谱和免疫共沉淀等实验技术，研究团队成功鉴定并验证了NBS1蛋白上的乳酸化修饰位点位于第388位赖氨酸上。
并开发了特异性抗体用于检测这一修饰。通过Co-IP质谱实验，发现乙酰基转移酶TIP60蛋白与NBS1蛋白存在相互作用。进一步实验验证，TIP60被确定为NBS1的乳酸化酶，即通过直接与NBS1相互作用，对其进行乳酸化修饰。而且，在乳酸和顺铂处理下，TIP60的这一作用显著增强。另一方面，组蛋白去乙酰化酶HDAC3被确定为NBS1的去乳酸化酶，通过与NBS1的相互作用去除其乳酸化修饰，从而抑制其乳酸化水平。这一发现通过基因编辑和体外实验得到进一步证实，揭示了乳酸化修饰的动态调控机制。
研究人员还深入探讨了NBS1 K388乳酸化在DNA损伤修复中的潜在作用。研究发现，K388乳酸化修饰对于NBS1在DNA损伤修复中的功能发挥至关重要。具体而言，乳酸促进肿瘤耐药的过程依赖于NBS1蛋白K388位点的乳酸化修饰。经过K388乳酸化修饰的NBS1蛋白能够更有效地招募和组装MRN复合体，并促进HRR蛋白在DNA双链断裂部位的募集，从而导致放化疗抵抗。
进一步的分子机制实验揭示，乳酸化修饰对于NBS1蛋白与MRE11的相互作用至关重要。K388乳酸化修饰位点位于NBS1与MRE11的接触面，其修饰会改变NBS1蛋白的构象，从而促进NBS1蛋白与MRE11的结合，形成MRN复合物。这种MRN复合物能够快速募集到DNA损伤部位，增强其在DNA损伤修复中的功能。
然而，关于肿瘤细胞内乳酸的来源，目前仍存在争议。既往研究表明，肿瘤细胞中的乳酸可能主要来自两个方面：一是细胞内产生，由肿瘤细胞中的乳酸脱氢酶LDHA催化生成；二是细胞外摄取，通过定位于肿瘤细胞膜的单羧基转运蛋白MCT1将肿瘤微环境中的乳酸摄取进入细胞内。进一步实验显示，在耐药株中LDHA的表达显著升高，而MCT1的表达量则无显著变化。这表明，在肿瘤耐药细胞中，乳酸主要通过LDHA在细胞内代谢产生。
进一步实验研究揭示，LDHA不仅促进了NBS1蛋白K388乳酸化修饰，还与DNA修复紧密相关。在耐药患者肿瘤中，LDHA和NBS1蛋白的乳酸化修饰均显著上调，且两者呈正相关。这种高表达提示预后不良。综上所述，NBS1乳酸化修饰通过促进DNA损伤修复及化疗抵抗，导致临床预后不良，而LDHA则是这一过程中的关键酶。
研究团队发现，通过靶向抑制LDHA，可以显著降低NBS1的乳酸化修饰水平，进而破坏肿瘤细胞的DNA修复机制。这一发现为抗癌疗法提供了新思路，即通过抑制乳酸代谢、靶向LDHA来逆转肿瘤化疗抵抗。
司替戊醇，一种已被欧洲药品管理局批准用于治疗难治性癫痫的药物，目前被研究为最具潜力的LDHA抑制剂。研究显示，司替戊醇能有效阻断胃癌细胞乳酸的产生，抑制NBS1 K388的乳酸化修饰，从而降低DNA修复效率并克服肿瘤放化疗耐药性。这一效果在肿瘤患者来源的类器官和异种移植模型中得到证实。
此外，司替戊醇与顺铂或IR联合使用表现出高度协同效应，能显著削弱肿瘤细胞的DNA修复能力，提高放化疗效果，并显著延长小鼠生存期。鉴于司替戊醇已在临床上广泛应用且安全性得到验证，其用于肿瘤耐药的临床研究具有显著的临床转化价值。
目前，研究团队已申请司替戊醇的肿瘤治疗专利，并启动相关临床研究。其中一项单臂前瞻性2期临床试验正在招募患者，旨在探索司替戊醇联合免疫靶向化疗对于常规治疗无效的腹膜转移癌患者的疗效。
此次试验旨在验证司替戊醇在临床实践中的实际疗效和安全性，特别是针对那些对常规治疗手段不敏感的癌症患者。若试验结果理想，这将为癌症治疗领域带来颠覆性的变革，有望大幅提升放化疗的成功率，从而为众多肿瘤耐药患者带来福音。
本研究深入揭示了乳酸在肿瘤代谢中的核心地位，特别是通过NBS1 K388乳酸化修饰，显著提升了DNA损伤修复的效率，进而催生了化疗耐药性的产生。在这一过程中，TIP60作为乳酸化酶，而HDAC3则作为去乳酸化酶，共同调控着这一修饰的平衡状态。通过阻断乳酸代谢途径，尤其是利用LDHA抑制剂，可以有效降低NBS1 K388的乳酸化水平，从而克服化疗耐药性，并显著改善癌症患者的预后情况。
研究机制示意图
本研究取得了两大重要的学术突破：
揭示Warburg效应介导的肿瘤耐药机制：研究深入揭示了乳酸在肿瘤耐药形成中的核心地位。乳酸通过促进NBS1的乳酸化修饰，增强了肿瘤细胞的DNA损伤修复能力，使得肿瘤细胞在遭受放化疗损伤后能迅速启动修复机制，从而降低了治疗效果，导致耐药性的产生。这一发现为抗肿瘤耐药治疗提供了新的靶点。
首次发现可阻断DNA损伤修复的靶向药物司替戊醇：研究证明，司替戊醇能够通过抑制乳酸的产生来降低NBS1的乳酸化修饰水平，进而破坏肿瘤细胞的DNA修复机制，提升放化疗的效果。这一发现使得司替戊醇成为一种具有极高临床转化价值的老药新用，有望为放化疗耐药患者提供新的治疗选择。
【热点练习】
1.大肠杆菌在环境适宜的条件下，每20分钟就能分裂一次。科学家运用DNA紫外光吸收光谱的方法对其DNA复制方式进行研究，具体操作为：将DNA双链均被15N标记的大肠杆菌放入普通培养基中培养20分钟，提取大肠杆菌DNA并进行密度梯度离心，再测定溶液的紫外光吸收光谱（如甲图所示）；若培养时间为40分钟，则所得结果可能对应乙图中部分曲线。下列相关叙述正确的是( )
注：紫外光吸收光谱的峰值位置即离心管中DNA的主要分布位置，峰值越大，表明该位置的DNA数量越多。
A.DNA是大肠杆菌的主要遗传物质，每20分钟复制一次
B.大肠杆菌拟核的DNA分子中，并非每个脱氧核糖都连接两个磷酸基团
C.若大肠杆菌DNA通过半保留方式复制，则40分钟后所得结果对应乙图中的e、f曲线
D.大肠杆菌DNA复制过程中以四种游离的碱基为材料
2.下图为DNA复制中子链的延伸过程，箭头表示酶的移动方向，下列叙述正确的是( )
A.该酶是DNA聚合酶，沿着A链的3′－端向5′－端移动
B.该酶作用下A链和B链之间形成磷酸二酯键连接在一起
C.图中A链的G、C之和与B链的G、C之和一定相等
D.在真核细胞中这一过程通常在细胞分裂前间期完成
3.已知果蝇基因组大小为1.8×108bp（bp表示碱基对），真核细胞中DNA的复制速率一般为50~100bp/s。如图为果蝇DNA的电镜照片，图中箭头所指的区域为泡状结构,叫作DNA复制泡，是DWA上正在复制的部分。根据以上信息，下列相关叙述错误的是( )
A.图中观察到的现象为DNA分子边解旋边复制提供依据
B.复制泡大小有差异说明复制经历的时间可能是不同的
C.果蝇基因组完整复制一次需要500~1000h
D.图示现象证明果蝇DNA进行多起点复制从而加快复制进程
4.亲代链分开及新生DNA开始复制处称为复制子，真核生物的核DNA包含多个复制子，每个复制子都有自己的起始点（下图中1~6）,每个起始点均富含AT序列。通常每个复制子从起始点开始复制形成复制泡，在复制泡的相遇处，新生DNA融合成子代DNA。下列叙述错误的是( )
A.图中的6号起始点是最晚开始解旋的
B.起始点富含AT序列,有利于DNA的解旋
C.复制泡中两个新生DNA的子代链的碱基序列相同
D.核DNA中包含多个复制子，可以提高DNA复制的效率
5.大肠杆菌核糖体蛋白与rRNA分子亲和力较强,二者组装成核糖体。当细胞中缺乏足够的rRNA分子时,核糖体蛋白可通过结合到自身mRNA分子上的核糖体结合位点而产生翻译抑制。下列叙述错误的是( )
A.一个核糖体蛋白的mRNA分子上可相继结合多个核糖体,同时合成多条肽链
B.细胞中有足够的rRNA分子时,核糖体蛋白通常不会结合自身mRNA分子
C.核糖体蛋白对自身mRNA翻译的抑制维持了RNA和核糖体蛋白数量上的平衡
D.编码该核糖体蛋白的基因转录完成后,mRNA才能与核糖体结合进行翻译
6.当细胞中缺乏氨基酸时,负载tRNA(携带氨基酸的tRNA)会变为空载tRNA(没有携带氨基酸的tRNA)参与基因表达的调控。如图是缺乏氨基酸时,tRNA调控基因表达的相关过程。下列相关叙述正确的是( )
A.①过程所需的嘧啶数与嘌呤数相等
B.过程①与过程②中涉及到的碱基互补配对方式相同
C.当细胞缺乏氨基酸时,空载tRNA既能抑制转录也能抑制翻译
D.过程②中终止密码子与d核糖体距离最近,d核糖体结合过的tRNA数目最少
7.如图表示中心法则,下列有关叙述正确的是( )
A.过程①-⑦都会在人体的遗传信息传递时发生
B.人体细胞内的过程③主要发生在细胞核中,产物都是mRNA
C.过程⑥存在碱基互补配对
D.过程⑤有半保留复制的特点,过程⑥发生在核糖体上
8.研究发现，鱼体内用于去除RNA甲基化修饰的m6A去甲基化酶FTO，可擦除NOD基因的mRNA甲基化修饰，避免mRNA被YTHDF2蛋白质识别并降解，从而提高鱼类的抗病能力。下列叙述正确的是( )
A.mRNA的甲基化修饰不会改变其碱基序列和相应的表型
B.提高NOD基因的mRNA甲基化水平会抑制NOD基因的表达
C.饲喂适量的FTO蛋白抑制剂有助于提高鱼类的抗病能力
D.甲基化会使RNA聚合酶结合起始密码子的过程受到干扰
9.心肌细胞中存在许多非编码RNA（如miR-223、HRCR），基因ARC可在该细胞中特异性表达，它们共同参与调控细胞凋亡，相关过程如图，①②③④表示生理过程，下列有关叙述错误的是( )
A.过程②③④遵循的碱基互补配对原则完全相同
B.过程④的发生，不利于基因ARC的表达，促进心肌细胞的凋亡
C.基因ARC、miR-223、HRCR所含的游离磷酸基团数量分别为2、1、0
D.过程①中DNA会与某种蛋白质结合，过程②中核糖体向右移动
10.细菌glg基因编码糖原合成中的关键酶。细菌糖原合成的平衡受到CsrA/CsrB系统的调节。CsrA蛋白可结合glgmRNA分子，也可结合CsrB（一种非编码RNA分子），相关过程如下图所示。下列叙述错误的是( )
A.抑制CsrB基因的转录能促进细菌糖原合成
B.CsrB与glgmRNA竞争结合CsrA蛋白
C.CsrA蛋白与glgmRNA结合抑制细菌糖原的合成
D.RNA聚合酶识别并结合glg基因的启动子后驱动转录
答案以及解析
1.答案：C
解析：A、大肠杆菌的遗传物质只有DNA，所以DNA是大肠杆菌的遗传物质，A错误；
B、大肠杆菌拟核的DNA分子为环状，因此每个脱氧核糖都连接两个磷酸基团，B错误；
C、若大肠杆菌DNA通过半保留方式复制，则40分钟复制两次，所得结果对应乙图中的e、f曲线，C正确；
D、大肠杆菌DNA复制过程中需要以四种游离的脱氧核苷酸为材料，D错误。
故选C。
2.答案：D
解析：A、图示为DNA复制的过程，该酶是DNA聚合酶A链是新合成的子链，是从5'至3端移动的，A错误;B、A链和B链是通过氢键连接在一起，B错误;C、A链和B链的碱基遵循碱基互补配对原则，即AT配对，GC配对，所以A链的G、C之和与B链的G、C之和一定相等，但图中只是A链的一部分，所以不一定相等，C错误;D、DNA的复制过程通常在细胞分裂前的间期完成，D正确。故选D。
3.答案：C
解析： DNA复制泡指的是部分DNA片段双链解旋形成的泡状结构,故图中观察到的现象为DNA分子边解旋边复制提供依据,A正确;复制泡大小有差异说明复制开始的时间不同,即复制经历的时间可能是不同的,B正确；由题意可知,果蝇基因组大小为1.8×108bp,DNA的复制速率一般为50~100bp/s,故果蝇基因组完整复制一次最少需要1.8×108÷100=1.8×106(s)=500h,最多需要1000h,即需要500~1000h,但据图所示,一条DNA上有多个DNA复制泡,说明其DNA是多起点复制,因此时间可能小于500h,C错误；一条DNA上有多个DNA复制泡,说明果蝇DNA进行多起,点复制从而加快复制进程,D正确。
4.答案：C
解析： DNA上不同复制泡大小不同表示不同复削子起始复制的时间不同，复制泡越大，复制的起始时间越早，据图可知6号起始点对应的复制泡最小，因此是最晚开始解旋的，A正确；碱基A与T之间有两个氢键，而G与C之间有三个氢键，因此起始点富含AT序列，有利于DNA的解旋，B正确；子链和母链之间遵循碱基互补配对原则，两条母链的碱基序列互补，因此复制泡中两个新生DNA里的子代链的碱基序列也互补，C错误；核DNA是多起点复制，其中包含多个复制子，可以提高DNA复制的效率，D正确。
5.答案：D
解析：一个核糖体蛋白的mRNA分子上可相继结合多个核糖体,同时合成多条肽链,以提高翻译效率,A正确;细胞中有足够的rRNA分子时,核糖体蛋白通常不会结合自身mRNA分子,与rRNA分子结合,二者组装成核糖体,B正确;当细胞中缺乏足够的rRNA分子时,核糖体蛋白只能结合到自身mRNA分子上,导致蛋白质合成停止,核糖体蛋白对自身mRNA翻译的抑制维持了rRNA和核糖体蛋白数量上的平衡,C正确;大肠杆菌为原核生物,没有核膜,转录形成的mRNA在转录未结束时即和核糖体结合,开始翻译过程,D错误。
6.答案：C
解析：A、①过程表示的是转录,由于RNA是单链,因此所需的嘧啶数与嘌呤数不一定相等,A错误;B、过程①表示转录,碱基互补配对方式是A-U、T-A、C-G、G-C;过程②表示翻译,碱基互补配对方式是A-U、U-A、C-G、G-C,B错误;C、当细胞缺乏氨基酸时,空载tRNA通过激活蛋白激酶抑制翻译过程,也可以抑制基因的转录,C正确;D、由图可知,终止密码在mRNA的左侧,故终止密码子与d核糖体距离最远,D错误。
故选:C。
7.答案：C
解析：A、②④⑤⑦不会发生在正常人体细胞中,会在人体的遗传信息传递时发生的过程有①③⑥,A错误;B、③为转录过程,该过程以DNA的一条链为模板合成RNA,其产物不仅有mRNA,还有其他的RNA,B错误;C、过程⑥发生在核糖体上,为翻译过程,该过程中的碱基配对发生在mRNA和tRNA之间,C正确;D、过程⑤为RNA复制过程,由于RNA为单链结构,因此没有半保留复制的特点,过程为翻译过程发生在核糖体上,D错误。故选C。
8.答案：B
解析：A、mRNA的甲基化不会改变自身碱基序列，但可能会影响翻译过程，从而改变生物的表型，A错误；
B、提高NOD基因mRNA的甲基化水平升高会抑制NOD基因的翻译，B正确；
C、给鱼类饲喂适量的FTO蛋白抑制剂，则FTO蛋白不能发挥作用，即FTO蛋白不能擦除N基因mRNA的甲基化修饰，导致被Y蛋白识别并降解的mRNA量增加，从而降低了鱼类的抗病能力，C错误；
D、起始密码子存在于mRNA上，RNA聚合酶结合的是DNA上的启动部位，D错误。
故选B。
9.答案：B
解析：A、过程②为翻译，存在mRNA与tRNA之间的碱基互补配对，过程③存在miR-223与mRNA之间的碱基互补配对，过程④存在HRCR与mRNA之间的碱基互补配对，所以遵循的碱基互补配对原则应完全相同(即A—U、C—G)，A正确；
B、HRCR吸附miR-223，使miR-223与基因ARC转录的mRNA结合减少，有利于过程②进行，即应导致基因ARC的表达增多，抑制心肌细胞的凋亡，B错误；
C、基因ARC为双链DNA、miR-223为单链RNA、HRCR为环状单链RNA，所以三者所含的游离磷酸基团数量应分别为2、1、0，C正确；
D、过程①为转录，转录时DNA可以与RNA聚合酶识别结合，可以形成暂时的DNA—蛋白质复合体。过程②为翻译，从图中mRNA上结合的核糖体上已合成的多肽链长度来看，T1最短，T3最长，所以核糖体应向右移动，D正确。
故选B。
10.答案：A
解析：由题图可知，抑制CsrB基因转录会使CsrB减少，使CsrA更多地与glgmRNA结合形成不稳定构象，最终核糖核酸酶会降解glgmRNA，而glg基因编码糖原合成中的关键酶，故抑制CsrB基因的转录，CsrA蛋白更多地与glgmRNA结合能抑制细菌糖原的合成，A错误，C正确；依题意，CsrA蛋白可结合glgmRNA分子，也可结合CsrB，因此，CsrB与glgmRNA竞争结合CsrA蛋白，B正确；基因转录时，RNA聚合酶识别并结合到基因的启动子区域从而启动转录，D正确。

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