Ku80 K568位点巴豆酰化-SUMO化转换调控DNA非同源末端连接促进肿瘤放疗抵抗的分子机制

时间：2025年4月22日

来源：Signal Transduction and Targeted Therapy

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本研究针对恶性肿瘤放化疗抵抗这一临床难题，揭示了DNA损伤修复关键蛋白Ku80通过K568位点巴豆酰化(Kcr)与SUMO化动态转换调控DNA-PK复合体组装的新机制。研究人员发现辐射诱导HDAC8介导Ku80 K568cr去巴豆酰化，进而促进CBX4催化的SUMO化修饰，从而激活DNA-PKcs S2056自磷酸化并启动非同源末端连接(NHEJ)修复。该研究为克服肿瘤放疗抵抗提供了新靶点，发表于《Signal Transduction and Targeted Therapy》。

恶性肿瘤的放疗抵抗一直是临床治疗面临的重大挑战，其核心机制与肿瘤细胞异常活跃的DNA损伤修复能力密切相关。在众多DNA损伤类型中，双链断裂(DSB)是最致命的损伤形式，也是放疗杀伤肿瘤细胞的主要分子基础。当DNA发生断裂时，Ku70/Ku80异源二聚体会迅速识别损伤位点，并与DNA依赖性蛋白激酶催化亚基(DNA-PKcs)形成DNA-PK全酶复合体，启动经典的非同源末端连接(c-NHEJ)修复通路。然而，这个关键复合体如何动态组装并激活的分子机制尚未完全阐明，特别是翻译后修饰(PTM)在此过程中的调控作用仍存在大量认知空白。

中国医学科学院放射医学研究所周平坤团队联合中南大学湘雅医院等机构，在《Signal Transduction and Targeted Therapy》发表重要研究成果。研究团队通过定量巴豆酰化修饰组学分析，首次发现辐射可显著降低Ku80蛋白K568位点的巴豆酰化修饰水平。深入机制研究表明，在正常生理状态下，p300/CBP相关因子(PCAF)负责催化Ku80 K568位点的巴豆酰化；而当DNA损伤发生时，组蛋白去乙酰化酶8(HDAC8)会被招募至损伤位点，特异性去除Ku80 K568cr修饰。这一动态去修饰过程为后续CBX4介导的SUMO化修饰创造了条件，形成"巴豆酰化-SUMO化"转换的分子开关。这种独特的PTM转换模式不仅增强了Ku80与DNA-PKcs的相互作用，更关键的是促进了DNA-PKcs S²⁰⁵⁶的自磷酸化，从而激活整个NHEJ修复通路。

研究采用了多项关键技术：定量巴豆酰化修饰组学分析鉴定辐射响应蛋白；CRISPR-Cas9构建Ku80基因敲除和点突变细胞模型；激光显微辐照和免疫荧光技术观察蛋白招募动态；染色质分级分离分析蛋白-DNA相互作用；分子对接模拟预测蛋白互作构象变化；患者来源异种移植(PDX)模型验证临床相关性。

研究结果部分：
"Quantitative crotonylome analysis reveals altered protein crotonylation profiles in response to radiation-induced DNA damage"：通过LC-MS/MS技术鉴定出20,910个Kcr位点，发现辐射后Ku80 K338和K568位点巴豆酰化水平显著降低，提示Kcr可能参与DNA损伤应答。

"Crotonylation at K568 of Ku80 is decreased in response to DNA damage"：特异性抗体证实K568是主要巴豆酰化位点，该修饰在多种DNA损伤剂处理后均下调，且K568R突变显著降低总Kcr信号。

"HDAC8 and PCAF coregulate Ku80 crotonylation"：发现PCAF作为巴豆酰转移酶、HDAC8作为去巴豆酰化酶共同调控K568cr动态平衡，辐射增强HDAC8与Ku80的相互作用。

"The K568R mutation of Ku80 affects its interaction with DNA-PKcs and attenuates the autophosphorylation of DNA-PKcs S²⁰⁵⁶"：K568R突变增强Ku80与DNA结合能力但削弱DNA-PKcs S²⁰⁵⁶磷酸化，分子对接显示去巴豆酰化可提高Ku80-DNA-PKcs结合亲和力。

"Decrotonylation of Ku80 K568cr is required for the subsequent CBX4-mediated SUMOylation at the same site for the activation of DNA-PKcs upon DNA damage"：揭示K568位点存在"去巴豆酰化-SUMO化"顺序修饰，CBX4是辐射诱导SUMO化的关键E3连接酶。

"The Ku80 K568R mutation impacts DNA DSB repair and sensitizes tumors to radiotherapy"：K568R突变导致γ-H2AX焦点持续存在、细胞凋亡增加，动物实验证实该突变可显著增强肿瘤放疗敏感性。

这项研究首次阐明了Ku80通过K568位点PTM转换调控DNA-PK复合体功能的全新机制，提出了"PTM转换开关"的理论模型。该发现不仅拓展了对DNA损伤修复调控网络的认知，更重要的是为克服肿瘤放疗抵抗提供了新的干预策略——靶向HDAC8介导的Ku80去巴豆酰化过程或CBX4催化的SUMO化修饰，有望成为增强放疗效果的新型分子靶点。研究还暗示这种动态PTM转换模式可能普遍存在于其他重要生物学过程中，为后续表观遗传调控研究提供了新思路。