Shmt2-flox 基因敲除小鼠

SHMT2，全称为丝氨酸羟甲基转移酶2（Serine hydroxymethyltransferase 2），是一种重要的代谢酶，参与丝氨酸-甘氨酸代谢途径，催化丝氨酸转化为甘氨酸，并产生活化的一碳单位，这些一碳单位可以用于合成S-腺苷甲硫氨酸（SAM）。SAM是一种重要的甲基供体，参与DNA和组蛋白的甲基化，影响基因表达和细胞功能。

SHMT2在多种癌症中表达上调，并与不良预后相关。例如，在肺腺癌（LUAD）中，SHMT2的过表达与肿瘤的发生和发展相关。研究表明，SHMT2在LUAD细胞中的上调主要依赖于SHIN1的抑制，SHIN1是SHMT1/2的特异性抑制剂。此外，MAPK1介导的SHMT2在Ser90位点的磷酸化是LUAD中SHMT2上调的关键机制，这种磷酸化通过减少STUB1介导的泛素化和降解来稳定SHMT2。SHMT2-Ser90的去磷酸化导致LUAD细胞中SAM水平的降低，进而降低全球RNA中的N6-甲基腺苷（m6A）水平，但不影响总蛋白或DNA的甲基化水平。m6A修饰的RNA免疫沉淀测序（MeRIP-Seq）和RNA测序（RNA-Seq）分析进一步表明，SHMT2-Ser90的去磷酸化通过降低m6A修饰加速了致癌基因的RNA降解，从而抑制了肿瘤的发生[1]。

在结直肠癌（CRC）中，SHMT2的过表达也与肿瘤的进展和转移相关。研究发现，SHMT2主要分布在人类CRC细胞的细胞质和细胞核中。SHMT2的敲低可以显著抑制CRC细胞的增殖，而这种抑制作用不能通过补充丝氨酸、甘氨酸或甲酸来恢复。SHMT2的敲低还可以抑制CRC细胞的侵袭和迁移。机制上，SHMT2与细胞质中的β-catenin相互作用，抑制了β-catenin的泛素化介导的降解，并进一步调节了其靶基因的表达，从而促进了CRC细胞的增殖和转移。值得注意的是，SHMT2上的赖氨酸64残基（SHMT2K64）介导了其与β-catenin的相互作用。此外，转录因子TCF4与β-catenin相互作用，进而增加了SHMT2的表达，形成了一个SHMT2/β-catenin的正反馈循环。体内异种移植实验证实，SHMT2促进了CRC细胞的生长和转移。最后，人类CRC组织中SHMT2的水平显著升高，且SHMT2水平与β-catenin水平的升高相关，与CRC的进展相关，并预测患者预后较差[2]。

在甲状腺乳头状癌（PTC）中，SHMT2的过表达也与肿瘤的转移相关。研究发现，SHMT2通过生成SAM来表观遗传抑制磷脂酰肌醇-3-激酶（PTEN），从而激活AKT信号通路，促进PTC的转移。SHMT2在PTC中升高，并与不良预后相关。过表达的SHMT2在体外和体内都促进了PTC的转移。蛋白质组富集分析显示，AKT信号通路在PTC标本中激活，并与SHMT2正相关。阻断AKT的激活消除了SHMT2对促进PTC转移的影响。此外，SHMT2表达与PTEN负相关，PTEN是AKT的负调节因子。机制上，SHMT2催化丝氨酸代谢并产生活化的一个碳单位，可以用于在PTEN启动子区域产生SAM，从而抑制PTEN的表达和随后的AKT激活。重要的是，干扰PTEN的表达会影响SHMT2的功能，通过促进AKT信号通路的激活和PTC的转移[3]。

在膀胱癌中，SHMT2的过表达也与肿瘤的进展相关。研究发现，膀胱癌细胞通过向有氧糖酵解依赖性代谢（Warburg效应）的转变来维持其无控制的生长和增殖。因此，高糖酵解通量依赖于糖酵解相关基因（如SRC-3、GLUT1、GLUT3、LDHA、LDHB、HK1、HK2、PKM和HIF-1α）的过表达，导致丙酮酸、丙氨酸和乳酸的过度产生。同时，膀胱癌代谢还表现出葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PD）和脂肪酸合成（FASN）基因表达的升高，以及AMP活化蛋白激酶（AMPK）和克雷布斯循环活性的降低。此外，PTEN/PI3K/AKT/mTOR信号通路在膀胱癌中过度激活，作为有氧糖酵解的中心调节因子，因此促进了癌症代谢转换和肿瘤细胞增殖。除了糖酵解，糖原代谢途径在膀胱癌的发展中也起着重要作用。特别是GLUT-1的过表达、肿瘤抑制因子糖原分支酶淀粉α-1,6-葡萄糖苷酶、4-α-葡聚糖转移酶（AGL）的丢失以及肿瘤促进酶糖原磷酸化酶活性的升高，损害了糖原代谢。葡萄糖摄取的增加、正常细胞糖原储存的减少以及乳酸的过度产生，是氧化磷酸化降低和无法将葡萄糖重新利用到磷酸戊糖和从头脂肪酸合成途径中的结果。此外，AGL的丢失导致丝氨酸到甘氨酸酶SHMT2水平的升高，从而增加了甘氨酸和核苷酸合成，支持细胞增殖[4]。

在食管癌（EC）中，SHMT2的过表达也与肿瘤的进展相关。研究发现，SHMT2是人体恶性肿瘤中最常表达的代谢酶之一。缺氧环境已被证明是调节恶性肿瘤进展的重要因素，与肿瘤细胞的异常能量代谢密切相关。研究旨在研究SHMT2在EC缺氧条件下的生物学功能和调节机制。通过RT-qPCR评估EC组织和细胞（TE-1和EC109）中SHMT2的水平。EC细胞分别在常氧和缺氧条件下培养，并通过RT-qPCR、Western blot和免疫荧光评估SHMT2表达的改变。通过CCK-8、EdU、Transwell、球形成、葡萄糖摄取和乳酸产生实验监测SHMT2对EC细胞的生物学功能。通过免疫沉淀和Western blot测定SHMT2蛋白的乳酸化。此外，通过生物信息学和挽救实验分析了SHMT2相互作用的蛋白。SHMT2在EC组织和细胞中显著上调。缺氧提高了SHMT2蛋白的表达，增强了EC细胞的增殖、迁移、侵袭、干性和糖酵解。此外，缺氧触发了SHMT2蛋白的乳酸化，增强了其稳定性。SHMT2的敲低阻碍了EC细胞的恶性表型。进一步的机制研究表明，SHMT2通过相互作用MTHFD1L参与EC的进展。缺氧诱导的SHMT2蛋白乳酸化和上调其蛋白水平，进而增强了MTHFD1L的表达，加速了EC细胞的恶性进展[5]。

在肾癌中，SHMT2的过表达也与不良预后相关。研究发现，与正常肾组织相比，SHMT2在7个肾癌数据集中表达升高。在癌症阶段、年龄和种族中，通过挖掘UALCAN数据库发现SHMT2的表达存在显著差异。高水平的SHMT2表达与肾癌患者的总体生存率较差相关。在所有共表达基因中，NDUFA4L2和SHMT2具有高共表达效率。SHMT2的过表达导致NDUFA4L2在mRNA和蛋白水平的表达升高。与SHMT2一样，过表达的NDUFA4L2也与肾癌患者的不良总体生存率相关。基于上述结果，过表达的SHMT2及其共表达的基因NDUFA4L2都与肾癌的预后相关。本研究可能有助于更好地理解SHMT2的临床意义，并为肾癌未来的治疗提供了一个潜在的治疗靶点[6]。

在淋巴瘤中，SHMT2的过表达也与肿瘤的发生相关。研究发现，SHMT2定位在淋巴瘤中最常见的染色体12q14.1区域的拷贝数增加区。SHMT2的升高表达与BCL2协同促进淋巴瘤的发展；SHMT2的丢失或抑制损害了淋巴瘤细胞的生存。SHMT2催化丝氨酸转化为甘氨酸，并产生一个活化的一个碳单位，可以用于支持SAM的合成。SHMT2诱导DNA和组蛋白甲基化模式的改变，导致先前未描述的突变基因的启动子沉默，如SASH1和PTPRM。总的来说，我们的研究结果表明，SHMT2的扩增与BCL2协同作用足以启动淋巴瘤的发生，通过表观遗传抑制肿瘤抑制因子[7]。

在阿尔茨海默病（AD）中，SHMT2的过表达也与疾病的发生相关。研究发现，SHMT2直接调节ADAM金属肽酶结构域10（ADAM10）的翻译，ADAM10是AD的潜在治疗靶点。研究发现，小分子肯帕隆（KEN）通过5'非翻译区（5'UTR）促进了ADAM10的翻译，并在APP/PS1小鼠中改善了认知功能。SHMT2被鉴定为KEN的靶基因和5'UTR相互作用的RNA结合蛋白（RBP），在体外和体内介导了KEN诱导的ADAM10翻译。SHMT2通过与GAGGG基序的直接相互作用来控制AD信号通路，并通过直接与5'UTR中的GAGGG基序相互作用来增强ADAM10的5'UTR活性，而该基序影响了真核起始因子2（eIF2）在5'UTR中的核糖体扫描。总之，KEN通过将OCM与RNA处理联系起来，展示了治疗AD的潜力，其中代谢酶SHMT2通过结合GAGGG基序和促进5'UTR依赖性ADAM10翻译起始而“兼职”为RBP[8]。

综上所述，SHMT2是一种重要的代谢酶，参与丝氨酸-甘氨酸代谢途径，在多种癌症和疾病中发挥重要作用。SHMT2的过表达与肿瘤的发生、发展和转移相关，并与不良预后相关。SHMT2可能通过影响SAM的生成、m6A修饰、AKT信号通路、β-catenin的稳定性等多种机制来促进肿瘤的发生和发展。此外，SHMT2还可能通过影响线粒体翻译和氧化磷酸化来影响细胞的能量代谢。SHMT2的研究有助于深入理解丝氨酸-甘氨酸代谢途径在肿瘤和疾病发生中的作用，为疾病的治疗和预防提供新的思路和策略。