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乳腺癌是女性最常见的肿瘤之一,其发病率和死亡率在世界各个国家地区占很高的比例。乳腺癌致死病人中有九成发生了远端转移,转移成为乳腺癌致死的主要原因之一。因此,探究乳腺癌转移的分子机制,对于提高乳腺癌的治疗水平具有重要意义。包括磷酸化、甲基化、泛素化等在内的蛋白质翻译后修饰是一种由酶催化的蛋白质共价修饰,这些修饰可以发生在组蛋白和非组蛋白上,并参与多种生命过程。其中甲基化修饰是一种重要的翻译后修饰,而精氨酸由于其较为活跃的生化性质极其容易受到甲基化修饰,蛋白质精氨酸甲基转移酶(Protein Arginine Methyltransferase,PRMTs)负责催化这一修饰的发生。蛋白质精氨酸甲基化修饰参与细胞内信号转导、转录调控、蛋白质稳定性等多种过程。近期研究表明,异常的精氨酸甲基化修饰与肿瘤的发生发展密切相关。PRMT4(CARM1)能甲基化组蛋白H3R17、H3R26,进而在转录水平激活基因的表达,例如通过催化H3R17甲基化,激活细胞周期调控因子E2F1的表达。随着研究的深入,越来越多PRMT4的非组蛋白甲基化底物被发现,如PRMT4催化BAF155、PKM2等。PRMT4参与多种细胞进程,如基因表达、转录和mRNA加工、调节蛋白质稳定性等。研究表明,PRMT4在乳腺癌中高表达,尤其是三阴性乳腺癌,并且其水平升高与不良预后相关。尽管PRMT4在乳腺癌进程中起着重要作用,其机制却仍然难以完全阐明。最近的研究表明,PRMT4通过催化癌症相关蛋白的甲基化促进肿瘤进程和转移,这为我们提供了一种探索PRMT4在乳腺癌进程中的分子机制的方式。Lysine-specific demethylase 1(LSD1)是第一个被发现的组蛋白去甲基化酶,可以特异性的去除组蛋白H3K4me1/2和H3K9me1/2的甲基化修饰,进而抑制或者激活基因的转录。我们之前的研究发现,在乳腺癌细胞中,LSD1分别通过减少H3K4me2和H3K9me2甲基化修饰来抑制E-cadherin以及增强vimentin的表达,进而促进乳腺癌的转移。已经在多种癌症中发现LSD1过度表达,并且高水平的LSD1通过促进癌细胞迁移和侵袭而导致肿瘤侵袭性和不良预后。然而,导致LSD1表达失调的机制仍然有待进一步研究。众所周知,蛋白质的水平与其稳定性有关,之前的研究显示,LSD1赖氨酸K322位发生甲基化修饰可以抑制其泛素化降解,进而增强其稳定性;LSD1丝氨酸S683位发生磷酸化修饰促进其去泛素化,进而增强LSD1蛋白稳定性。本文研究中,我们首次发现PRMT4介导LSD1发生精氨酸甲基化修饰,并且这种修饰是维持LSD1蛋白稳定性所必需的。首先在乳腺癌组织中,我们发现LSD1和PRMT4蛋白水平有很好的相关性,进一步我们证实PRMT4通过抑制LSD1泛素化而增强了其稳定性。接着我们证明了二者存在直接结合的作用,最后通过质谱检测技术以及体外甲基化我们证实,PRMT4介导LSD1精氨酸R838位发生甲基化修饰,并且这种修饰起到了维持LSD1稳定性的作用。进一步研究我们发现PRMT4催化LSD1的甲基化修饰促进LSD1与去泛素化酶USP7的结合和去泛素化作用,最终导致LSD1的稳定性增加。在乳腺癌细胞中,加入PRMT4和USP7抑制剂能明显增加LSD1泛素化修饰,导致其稳定性降低。ChIP实验发现,抑制PRMT4和USP7能明显降低LSD1在其靶基因E-cadherin和vimentin启动子区的富集,并分别通过H3K4Me2和H3K9Me2去甲基化,起到抑制E-cadherin以及增强vimentin转录的作用,导致乳腺癌细胞的侵袭和转移。为了探究LSD1甲基化修饰的生理功能,我们通过裸鼠尾静脉注射实验发现R838位点的甲基化修饰有促进乳腺癌肺转移的能力。此外,组织芯片结果显示LSD1甲基化水平与人乳腺癌组织恶性程度以及LSD1水平呈正相关。综上,我们发现PRMT4介导LSD1发生甲基化修饰,进而增强了LSD1与USP7的结合和去泛素化,使得LSD1蛋白的稳定增强,最终通过对靶基因E-cadherin以及vimentin转录起关键作用,导致乳腺癌细胞的侵袭和转移。我们的研究结果定义了LSD1的一种新的功能性翻译后修饰,并证明依赖PRMT4和USP7的LSD1蛋白稳定化对乳腺癌肿瘤发生发展至关重要,也为寻找乳腺癌的潜在治疗策略提供了新思路。