Cell Death & Disease：董子钢/晋果果揭示鸟嘌呤代谢驱动食管癌进展的分子机制

USP5 调控嘌呤代谢并成为食管癌的治疗靶点

近日，中美（河南）荷美尔肿瘤研究院等单位研究团队在《Cell Death & Disease》发表题为“USP5 regulates purine metabolism and represents a therapeutic target in esophageal cancer”的研究论文。该研究系统揭示了去泛素化酶USP5通过稳定IMPDH2驱动嘌呤代谢重编程，从而促进食管鳞状细胞癌（ESCC）发生发展的分子机制，并提出USP5-IMPDH2轴作为潜在治疗靶点的可行性，为ESCC精准治疗提供了新的研究方向。

 亮点概述：

• 首次揭示USP5通过去泛素化稳定IMPDH2，促进嘌呤核苷酸合成，驱动ESCC代谢重编程。
• 发现USP5与IMPDH2在ESCC组织中显著高表达，并与肿瘤分期、淋巴结转移及不良预后密切相关。
• 证实FDA批准药物甲苯咪唑可抑制USP5-IMPDH2轴，并增强奥沙利铂化疗敏感性，在PDX模型中表现出显著抗肿瘤效果。

 研究背景：

ESCC是全球癌症相关死亡的第六大原因, 尽管手术、放化疗和靶向治疗取得了一定进展，其患者5年生存率仍低于20%，这主要归因于其恶性生物学行为、早期转移特性以及缺乏有效的早期检测手段。在肿瘤的核心特征中，代谢重编程对维持肿瘤生长和存活发挥着核心作用，代谢可塑性还参与肿瘤的免疫逃逸和治疗抵抗，靶向肿瘤代谢有望成为现有治疗手段的补充策略。

泛素-蛋白酶体系统（UPS）是细胞内主要的蛋白质降解途径之一，在维持蛋白质稳态、调控细胞周期、信号转导、DNA 修复和免疫反应中发挥关键作用。在庞大的去泛素化酶家族中， USP5具有独特的功能，可切割非锚定的多聚泛素链并回收游离泛素单体。值得注意的是，越来越多的证据表明，USP5在多种肿瘤中表达失调，并通过稳定致癌蛋白参与肿瘤发生。然而，USP5在代谢调控中的作用，尤其是在嘌呤代谢中的功能，尚未见报道。

  研究结果：

为探究ESCC的代谢改变，研究团队首先对30对ESCC患者肿瘤及癌旁组织进行了非靶向代谢组学分析，结果显示，肿瘤组织与癌旁正常组织间存在广泛的代谢物失调。发现嘌呤代谢通路显著富集，KEGG通路富集分析表明，ESCC组织中嘌呤代谢通路显著富集。进一步分析发现，嘌呤代谢物鸟嘌呤在肿瘤组织中的表达水平显著高于癌旁正常组织，提示ESCC中鸟嘌呤生物合成增强。利用癌症基因组图谱（TCGA）数据库分析食管癌组织和癌旁正常组织中USPs的表达水平，发现USP5在肿瘤组织中的表达水平最高。

敲低USP5可显著抑制鸟嘌呤生成。相关性分析表明，USP5表达与嘌呤代谢呈正相关。研究人员进一步在ESCC细胞系及肿瘤组中检测USP5水平，蛋白质免疫印迹及免疫组化染色结果均显示USP5在ESCC肿瘤组织中的表达水平显著高于正常组，且USP5高表达与总生存率降低相关。这些结果表明，USP5可能通过调控嘌呤代谢促进肿瘤发展。

USP5 高表达与嘌呤代谢相关

为探究USP5在ESCC中的作用，研究人员进行了USP5敲低和过表达实验，发现敲低USP5 可显著降低细胞增殖能力；反之，过表达USP5可增强细胞增殖能力和克隆形成能力。此外，敲低USP5可在细胞来源异种移植模型中显著抑制肿瘤生长，减小肿瘤体积并降低Ki67的表达水平。表明USP5可促进ESCC细胞增殖、集落形成和肿瘤进展。

研究人员随后开展了¹³C标记代谢流示踪实验，证实敲低KYSE150细食管癌胞中的USP5会显著干扰嘌呤代谢，抑制次黄嘌呤、IMP、ATP 等多种相关代谢物生成，明确USP5与嘌呤代谢的关联。进一步利用¹³C葡萄糖示踪，对比发现KYSE150食管癌细胞的嘌呤从头合成强于正常SHEE细胞，且ESCC细胞及肿瘤组织内鸟嘌呤水平均显著高于对照细胞与癌旁组织。此外，通过体外补充鸟嘌呤发现可促进食管癌细胞增殖、体内构建的PDX 模型并采用无嘌呤饮食抑制肿瘤生长的实验，也进一步验证鸟嘌呤代谢重编程对食管癌进展的关键作用。

USP5驱动嘌呤生物合成以支持ESCC生长

为阐明 USP5 调控鸟嘌呤的分子机制，研究人员对KYSE450与KYSE30细胞中免疫沉淀的USP5进行LC‑MS/MS分析，筛选出鸟嘌呤从头合成关键限速酶IMPDH2，经内源与外源免疫共沉淀、免疫荧光共定位及分子对接实验，证实二者可直接相互作用且共定位。进一步研究表明，USP5主要在翻译后水平调控IMPDH2表达，作为去泛素化酶，其通过催化残基Cys335的活性，经泛素‑蛋白酶体通路，特异性切割IMPDH2第489位赖氨酸上K48型多聚泛素链，减少其泛素化以增强蛋白稳定性，且E3泛素连接酶SYVN1介导IMPDH2的泛素化降解。此外，TCGA数据、免疫组化及细胞、动物实验证实IMPDH2在食管癌中过表达，与不良临床预后相关，其过表达促进癌细胞增殖，敲低则抑制体内外肿瘤生长，说明USP5通过靶向IMPDH2去泛素化稳定其表达，参与ESCC进展。

IMPDH2是去泛素酶USP5的下游靶标

为明确IMPDH2对食管癌鸟嘌呤水平及细胞增殖的影响，实验发现过表达IMPDH2可显著升高鸟嘌呤浓度，敲低IMPDH2或用其抑制剂MPA处理则显著降低鸟嘌呤水平，证实 IMPDH2是食管癌鸟嘌呤积累的关键驱动因子。进一步研究表明，外源性补充鸟嘌呤可逆转MPA或敲低IMPDH2对食管癌细胞增殖的抑制，体内实验也显示限制鸟嘌呤联合敲低IMPDH2对肿瘤生长抑制最强，说明IMPDH2驱动的增殖依赖鸟嘌呤代谢。此外，敲低USP5抑制细胞增殖和鸟嘌呤合成，而过表达IMPDH2可挽救该效应，USP5靶点IMPDH2的K489位点突变及共表达SYVN1均会降低鸟嘌呤水平，证实IMPDH2通过调控鸟嘌呤从头合成驱动ESCC进展。

USP5-IMPDH2轴调节嘌呤代谢并促进ESCC进展

最后的药物筛选发现，FDA 批准的驱虫药甲苯咪唑（Mebendazole）可特异性靶向 USP5，剂量依赖性降低 USP5 及 IMPDH2 蛋白水平，抑制鸟嘌呤生成。机制上，甲苯咪唑加速 USP5 蛋白降解，促进 IMPDH2 泛素化及降解，从而抑制 ESCC 增殖及体内 PDX 模型肿瘤生长。更重要的是，甲苯咪唑与奥沙利铂联合使用可显著提升 ESCC 细胞对化疗的敏感性，在 PDX 模型中协同抑制肿瘤生长，疗效优于单一治疗。

综上所述，该研究首次阐明 “USP5-IMPDH2-鸟嘌呤” 轴调控ESCC嘌呤代谢重编程的分子机制，甲苯咪唑可靶向抑制USP5，破坏该调控轴，与奥沙利铂协同增效，为 ESCC 治疗提供了新的靶点与可转化策略。