多组学揭示表观-代谢轴调控肿瘤干性维持和恶性进展分子机制治疗方法

胶质母细胞瘤（glioblastoma multiforme,GBM）是一种致死率极高的原发性脑肿瘤，表现出由胶质瘤干细胞（glioma stem cells,GSCs）介导的极强代谢可塑性，这种可塑性进而导致治疗抗性和肿瘤复发。靶向GSCs代谢可能为GBM治疗提供新策略，但临床治疗方法有限。

2026年9月8日，山东大学齐鲁医院李新钢教授、韩明志研究员、黄斌副研究员、姜政副教授团队合作，在《Advanced Science》期刊发表题为“Targeting the KAT7/H3K14ac/RAC2 Axis Mediates OXPHOS to Promote Stemness Maintenance and Malignancy in Glioblastoma”的高水平科研成果。研究通过整合ChIP-seq、RNA-seq等多组学技术，揭示了组蛋白乙酰转移酶KAT7通过调控H3K14ac修饰激活RAC2表达，进而介导线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）以维持胶质瘤干细胞干性和恶性肿瘤进展的全新表观遗传-代谢调控轴。研究系统阐明了KAT7/H3K14ac/RAC2/PAK信号轴的分子机制，并通过小分子抑制剂WM-3835验证靶向干预的治疗潜力，为胶质母细胞瘤的精准治疗提供了新策略。
 

图形摘要：靶向KAT7/H3K14ac/RAC2轴介导OXPHOS，促进胶质母细胞瘤干性维持与恶性进展。

SOX2在胶质瘤干细胞中上调KAT7表达，KAT7随后在RAC2启动子区沉积H3K14乙酰化修饰，以激活RAC2转录。RAC2-GTP进而促进PAK1/2/3磷酸化，提高三羧酸（TCA）循环通量与线粒体呼吸水平，从而介导胶质母细胞瘤的恶性表型。通过WM-3835进行KAT7药理学抑制可破坏“表观-代谢”轴，并抑制肿瘤进展。

研究方法
（1）数据集分析

• 利用多个公共数据库及scRNA-seq数据进行KAT7表达模式、预后相关性、分子亚型分布及基因拷贝数变异分析。
• 通过单样本GSEA评估胶质瘤干细胞与分化细胞中代谢通路活性差异。

（2）细胞与分子生物学实验

• qRT-PCR、Western blot、免疫荧光、免疫组织化学染色验证KAT7表达。
• CCK-8、EdU、流式细胞术、极限稀释成球实验和3D球体侵袭实验评估细胞增殖、凋亡、干性和侵袭能力。

（3）表观遗传学研究

• 染色质免疫共沉淀测序（ChIP-seq）：在全基因组范围内绘制H3K14ac修饰图谱。
• 转录组测序（RNA-seq）：差异表达与功能富集分析。
• 关联分析：鉴定KAT7的直接下游靶基因。
• ChIP-qPCR：验证KAT7敲低后RAC2转录起始位点H3K14ac富集水平的变化。

（4）代谢功能研究

• 线粒体压力测试：评估基础呼吸、最大呼吸、ATP产生和备用呼吸能力。
• TCA循环靶向代谢流：分析TCA循环代谢通量变化。

（5）验证实验

• 建立颅内原位异种移植小鼠模型，监测肿瘤生长和生存期分析，评估KAT7敲低和WM-3835治疗的体内抗肿瘤效果。
• 分子对接和表面等离子共振实验验证WM-3835与KAT7的直接结合。

图1：KAT7在胶质瘤中高表达并导致不良预后。

A. 基于HumanCyc数据库对3个GSCs及匹配分化胶质母细胞瘤细胞（DGCs）进行代谢基因集的GSEA分析。
B-C. GSE54791数据集中KAT7表达与代谢相关生物学过程评分的相关性。
D. Kamoun数据库中KAT7在GBM和非肿瘤样本中的表达。
E. 基于CGGA数据库中IDH野生型样本KAT7高或低表达的Kaplan-Meier生存曲线。
F. CGGA数据集中3种GBM分子亚型中KAT7的表达。
G. Human Protein Atlas数据库中高级别胶质瘤（HGG）和低级别胶质瘤（LGG）组织中KAT7免疫织化。
H. 正常脑组织和不同级别胶质瘤中KAT7 IHC染色的代表性图像。
I. TCGA数据集中三种基因拷贝数变异类型组织中KAT7的表达。
J. 正常人类星形胶质细胞和不同胶质瘤细胞中KAT7 mRNA表达的qRT-PCR分析。

（2）KAT7在胶质瘤干细胞中表达水平上调
 

图2：KAT7在胶质瘤干细胞（GSCs）中高表达。

A. GBM中KAT7、SOX2与OLIG2差异表达的scRNA-seq分析。
B. GSE119834与GSE54791数据集中DGCs与GSCs的KAT7表达。
C. GBM#P3与GBM#BG5细胞及其分化细胞中KAT7表达的Western blot分析。
D. GBM#P3细胞内GSCs与DGCs中KAT7的荧光强度。
E. GSCs与DGCs中KAT7 genebody区域H3K27ac与SOX2水平的基因组浏览器视图。
F. GBM#P3-shControl、-shSOX2#1与-shSOX2#2细胞中KAT7表达的qRT-PCR分析。
G. 基于CGGA数据库的KAT7表达与SOX2评分之间的相关性分析。
H. GBM#P3细胞中KAT7、SOX2与DAPI的免疫荧光（IF）染色。

（3）KAT7敲低在体内和体外均抑制胶质母细胞瘤(GBM)生长和胶质瘤干细胞(GSCs)干性维持
 

图3:KAT7敲低在体内和体外抑制GBM生长及GSCs维持。

A. qRT-PCR分析KAT7的表达。
B. Western blot分析KAT7蛋白的表达。
C. CCK-8实验检测KAT7敲低后的细胞活性。
D. 细胞EdU染色。
E. 流式细胞术检测细胞凋亡情况。
F. 肿瘤球形成实验的代表性图像。
G. 极限稀释实验。
H. 三维肿瘤球体侵袭实验评估细胞侵袭能力。
I. Western blot分析细胞中Nestin和Olig2表达。
J-K. 第4周时植入GBM#P3-shNC、-shKAT7#1及-shKAT7#2细胞的小鼠肿瘤生物发光图像及相应定量分析。
L. 植入GBM#P3-shNC、-shKAT7#1或-shKAT7#2细胞的荷瘤小鼠的Kaplan-Meier生存曲线。

（4）KAT7通过催化H3K14ac修饰调控RAC2表达

图4：KAT7通过催化组蛋白H3K14乙酰化调控RAC2表达。

A-B. GBM#P3与GBM#BG5-shNC、-shKAT7#1与-shKAT7#2细胞的H3K14ac、H4K12ac、H4K8ac与H4K5ac水平的Western blot分析。
C. GBM#P3细胞感染shNC或shKAT7-1慢病毒后RNA-seq数据中差异表达转录本的热图。
D. GBM#P3细胞感染shNC或shKAT7-1慢病毒后RNA-seq与H3K14ac ChIP-seq数据整合的四象限图。
E. 基于RNA-seq与ChIP-seq数据的差异表达基因KEGG分析。
F. MAPK信号通路组分基因与RNA-seq/ChIP-seq中KAT7敲低后表达下调基因的重叠维恩图。
G. TCGA数据库中不同级别胶质瘤的RAC2表达。
H. TCGA数据库中IDH野生型样本RAC2表达与患者预后之间的关系。
I. 移植瘤模型肿瘤组织中RAC2的IHC染色代表性图像。
J. H3K14ac与RAC2基因启动子区结合峰图。
K. GBM#P3与GBM#BG5-shNC、-shKAT7#1与-shKAT7#2细胞的ChIP-qPCR分析。

（5）KAT7通过上调RAC2表达增强GSCs的线粒体氧化磷酸化

图5：KAT7通过增加RAC2表达增强GSCs中的线粒体氧化磷酸化。

A. GBM#P3和GBM#BG5-shNC、-shKAT7#1及-shKAT7#2细胞中KAT7敲低后RAC2信号通路下游蛋白表达Western blot。
B. 基于RNA-seq分析的差异表达基因GO分析。
C. GBM#P3和GBM#BG5-shNC、-shKAT7#1及-shKAT7#2细胞中相对ATP丰度的代表性图像。
D. 线粒体呼吸功能测量。
E. 相对最大呼吸、基础呼吸、ATP产生和备用呼吸能力柱状图。
F. 归一化后所有检测代谢物水平总体差异热图。
G. [U-13C]葡萄糖掺入TCA循环中间体的示意图。
H. GBM#P3-shNC和-shKAT7#1细胞中代谢物总浓度。
I-P. GBM#P3-shNC和-shKAT7#1细胞间代谢物浓度的比较。

（6）KAT7通过RAC2促进GBM细胞的OXPHOS生成
 

图6：KAT7通过RAC2促进胶质瘤能量代谢。

A. GBM#P3-NC、-KAT7-OE与-KAT7(E508A)细胞中KAT7、H3K14ac及RAC2水平的Western blot分析。
B. CCK-8实验检测GBM#P3-NC、-KAT7-OE与-KAT7(E508A)细胞活性。
C. 流式细胞术检测AnnexinV-FITC与PI染色评估GBM#P3-NC、-KAT7-OE与-KAT7(E508A)细胞凋亡情况。
D. GBM#P3-NC、-KAT7-OE与-KAT7(E508A)细胞肿瘤球形成实验。
E. 三维肿瘤球侵袭实验评估GBM#P3-NC、-KAT7-OE与-KAT7(E508A)细胞侵袭能力。
F. GBM#P3-NC、-KAT7-OE与-KAT7(E508A)细胞中相对ATP丰度的代表性图像。
G. 在GBM#P3细胞中过表达KAT7并敲低RAC2后，Western blot检测RAC2信号通路下游蛋白表达。
H. 在过表达KAT7并敲低RAC2后，采用CCK-8实验检测GBM#P3细胞的细胞活性。
I. 在过表达KAT7并敲低RAC2后，GBM#P3细胞中相对ATP丰度的代表性图像。

（7）WM-3835通过抑制KAT7抑制胶质瘤进展
 

图7：WM-3835通过抑制KAT7抑制胶质瘤进展。

A. KAT7与WM-3835的分子对接结果。
B. 表面等离子共振（SPR）实验显示WM-3835与KAT7的整体互作。
C. CCK-8实验测定不同浓度WM-3835处理后NHA、GBM#P3和GBM#BG5细胞的相对活力。
D. Western blot分析不同剂量WM-3835及DMSO处理后H3K14ac修饰水平的变化。
E. WM-3835处理后GBM#P3细胞的极限稀释实验。
F. WM-3835处理后GBM#P3细胞肿瘤球形成实验的代表性图像。
G. 三维肿瘤球体侵袭实验评估WM-3835处理后GBM#P3细胞的侵袭能力。
H. WM-3835处理后GBM#P3细胞的线粒体呼吸功能测量。
I. 相对最大呼吸、基础呼吸、ATP产生和备用呼吸能力柱状图。
J-K. 植入GBM#P3细胞并经WM-3835处理或生理盐水处理小鼠第4周的肿瘤生物发光图像及定量分析。
L. 植入GBM#P3细胞并经WM-3835处理的荷瘤小鼠的Kaplan-Meier生存曲线。
M-N. 异种移植模型肿瘤组织中Ki-67和RAC2免疫组化（IHC）染色代表性图像。

结论和启示
本研究通过ChIP-seq、RNA-seq、代谢组学等多组学整合分析及细胞实验，揭示了KAT7/H3K14ac/RAC2/PAK信号轴通过驱动氧化磷酸化维持胶质瘤干细胞干性和恶性进展的分子机制。研究确立KAT7为胶质母细胞瘤的关键表观遗传调控因子，其通过SOX2介导的转录调控在GSCs中高表达，催化RAC2启动子区域H3K14ac修饰激活RAC2转录，进而促进PAK1/2/3磷酸化，增强TCA循环通量和线粒体呼吸功能，为肿瘤生长提供能量支持。小分子抑制剂WM-3835通过靶向KAT7破坏该表观遗传-代谢轴，在体内和体外均表现出显著的抗肿瘤效果。

ChIP-seq+RNA-seq多组学整合是机制发现的重要工具。本研究从“哪些基因表达下降”到“哪些基因的H3K14ac修饰下降”，交集分析鉴定出候选基因RAC2，并进一步通过ChIP-seq峰图差异与ChIP-qPCR完成因果验证。对于以组蛋白修饰酶、染色质重塑因子、转录因子为切入点的肿瘤、发育、免疫等研究，H3K14ac、H3K27ac等修饰的ChIP-seq与RNA-seq联合分析具有高度的可复制性。

参考文献：
Liu J, Sun Y, Zhu Y, Mu G, Wang J, Wang L, Zhao F, Zhao Z, Wang J, He Y, Jiang Z, Li X, Han M, Huang B. Targeting the KAT7/H3K14ac/RAC2 Axis Mediates OXPHOS to Promote Stemness Maintenance and Malignancy in Glioblastoma. Adv Sci (Weinh). 2026 Sep 8:e77551. doi: 10.1002/advs.77551.