Nature | 线粒体电子传递促进肾癌转移

生物探索

2024-09-25 16:35发布于江苏科学领域创作者

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划重点

01德州大学西南医学中心的研究人员在Nature杂志上发表了一篇关于肾癌转移的研究文章，发现透明细胞肾细胞癌（ccRCC）的线粒体电子传递链活性下降，而转移性ccRCC的TCA循环活性上升。

02作者通过对来源于不同类型肾癌患者的组织样本进行代谢示踪和代谢特征分析，揭示了线粒体功能对肾癌转移的关键作用。

03刺激线粒体呼吸或激活NADH循环可促进肿瘤转移，而抑制电子传递链复合物I活性则抑制转移。

04此外，研究还发现氧化磷酸化相关基因的高表达与ccRCC的侵袭性相关，较高的mtDNA含量也与较差的生存预期相关。

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引言

线粒体介导的代谢重塑是肾细胞癌（RCC）的常见特征，但不同亚型RCC发生发展过程中的线粒体代谢异常机制有所不同【1】。透明细胞肾细胞癌（Clear Cell Renal Cell Carcinoma, ccRCC）是最常见的肾细胞癌类型，占所有肾细胞癌的70%~80%。ccRCC通常与VHL（von Hippel-Lindau）基因突变相关，这种基因突变会导致VHL蛋白功能丧失，进而引起与肿瘤生成和血管形成相关的信号通路异常激活，还会促进糖酵解并抑制葡萄糖氧化【2】。

与ccRCC相比，嗜酸性细胞肾癌（chromophobe RCC）较为少见，但其分子特征多样化程度更高。例如，一部分嗜酸性细胞肾癌中存在电子传递链（ETC）复合物I的突变，而嗜酸性细胞肾癌细胞中ETC复合物I突变与线粒体清除程序的失活会导致异常线粒体的累积，造成癌细胞代谢重塑【3】。此外，近年来研究发现与线粒体代谢相关的延胡索酸水合酶和琥珀酸脱氢酶等的致病缺陷也是一些肾癌发生的诱因【4】。不难发现，多种RCC的发生和进展过程中都会伴随着线粒体缺陷或代谢活性紊乱。

尽管线粒体功能障碍与RCC肿瘤发生密切相关，但这些线粒体异常影响RCC代谢重塑的机制仍不清楚。通过在肾癌患者手术中输注13C标记营养物，并分析外科切除样本中13C标记代谢物的变化趋势，可以呈现肿瘤和邻近组织之间或不同患者肿瘤之间的代谢差异。这一技术为解析肾癌发生过程中线粒体代谢重塑机制提供了有力工具。

近日，德州大学西南医学中心HHMI研究员Ralph DeBeradinis实验室领衔在Nature杂志发表了题为Mitochondrial complex I promotes kidney cancer metastasis 的研究文章，通过对来源于不同类型肾癌患者的组织样本进行代谢示踪和代谢特征分析，作者发现，相比其他亚型的肾癌，ccRCC的TCA循环中间产物显著降低，线粒体电子传递链活性下降。不仅如此，ccRCC转移灶的TCA循环活性要显著高于原发性ccRCC，表明在ccRCC转移过程会发生代谢重塑。小鼠模型中，刺激肾癌细胞呼吸或激活NADH循环能够促进肿瘤转移，而抑制电子传递链复合物I则会抑制转移。本研究揭示了肾癌发生和转移过程具有不同的代谢特征，线粒体电子传递是影响肾癌转移的关键因素。

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首先，在59名不同类型的肾癌患者进行肾切除术期间，研究人员给患者注射了13C标记的葡萄糖，在术后获取组织样本后，分析了各RCC样本的代谢特征。结果显示，ccRCC肿瘤的代谢特征与其他亚型肾癌组织存在显著差异，尤其是ccRCC肿瘤中TCA循环中间体的13C标记水平比邻近肾脏组织（肾皮质）显著降低，该表型在ccRCC肿瘤培养切片中也得到了验证。因此，TCA循环中间体丰度降低是ccRCC的固有特性，而且并非是手术或肾脏环境的影响所致。

进一步实验中，作者通过注射不同的13C标记代谢物（乙酸和谷氨酰胺）探究了ccRCC中的TCA循环活动。结果表明，在TCA循环的周转过程中，ccRCC肿瘤表现出较低的代谢物标记程度，表明其线粒体功能受到抑制。此外，通过对谷氨酰胺进行代谢示踪，作者发现ccRCC中的苹果酸标记上升，且还原代谢路径比邻近正常肾组织更为活跃。因此，ccRCC肿瘤具有明显的特异性代谢重塑特征，尤其是其线粒体代谢活性的降低和还原代谢等特殊代谢途径的激活。

接下来作者比较了原发性ccRCC与转移性ccRCC在TCA循环中的代谢差异。结果表明，转移性ccRCC中柠檬酸/丙酮酸比例更高，表明在转移性肿瘤中，葡萄糖和乙酸等循环燃料对TCA循环的贡献程度更大，这种差异与电子传递链功能障碍有关，而不是由于肿瘤微环境中非恶性细胞的影响。此外，原发性和转移性ccRCC在基因表达上表现出相似的特征，进一步支持了这些代谢性差异的重要性。

通过使用多种转基因小鼠模型分析ETC复合体I的抑制和激活对肾癌转移的影响，作者发现ETC复合体I抑制剂处理虽然对原发肿瘤生长没有影响，但显著抑制了肿瘤转移。接下来，作者分析了两种ccRCC肾癌组织的衍生细胞系的代谢变化，其中一种细胞系（Methigh）从肾脏中频繁转移，另一种细胞系（Metlow）转移活性较弱。作者发现两种细胞在代谢依赖性上存在差异，Methigh细胞的呼吸速率比Metlow细胞更快，NADH脱氢酶（ETC复合体I）等线粒体代谢酶对Methigh细胞的活性至关重要。而在Metlow 细胞中表达酵母NADH脱氢酶NDI1能够增强其细胞呼吸和TCA循环代谢，并使Metlow细胞的转移活性达到与转移活性和呼吸水平较高的Methigh细胞相似的水平。这表明ETC复合体I在肿瘤转移中的关键作用，且激活ETC可以促进肾癌细胞的转移能力。

接下来作者探究了ETC复合体I是如何支持肾癌细胞转移的。首先，作者发现在小鼠肾脏肿瘤中表达乳杆菌NADH氧化酶（LbNOX）并未影响原发肿瘤的生长，但显著增加了其在肺部转移的负担，这表明复合体I通过促进NAD+再生功能支持了RCC的转移。其次，在人ccRCC细胞系786-O和Caki1中，NDI1的表达增强了呼吸作用和TCA循环中间体的标记。小鼠中NDl1的表达未影响皮下肿瘤的生长，而在尾静脉注射后诱导了肺部转移。LbNOX同样没有增加皮下肿瘤的生长，但增加了转移负担。此外，RNA测序数据显示，部分转移性ccRCC结节的氧化磷酸化基因表达上调，但与原发性肿瘤类似，也存在着mtDNA的缺失。因此，转移性ccRCC的线粒体功能增强，这与mtDNA耗竭有关。

在对TCGA ccRCC数据集的分析中，作者发现恶化程度更高的ccRCC肿瘤样本显示出更高的氧化磷酸化评分，这表明氧化磷酸化相关基因的高表达与ccRCC的侵袭性相关。另一方面，氧化磷酸化活跃患者的中位生存期显著低于氧化磷酸化活性低的患者，表明氧化磷酸化调控基因的表达可作为ccRCC生存预后的预测指标。此外，尽管氧化磷酸化基因主要是由细胞核编码的，但较高的mtDNA含量也与较差的生存预期相关。这表明，在侵袭性原发 ccRCC 中，mtDNA 丰度和核编码氧化磷酸化基因的表达均升高，且预后最差。导致ccRCC 转移的线粒体适应性起源于原发性肿瘤，侵袭性原发ccRCC可能在其发展过程中就已获得某种线粒体适应性，这种适应性有利于ccRCC肿瘤转移。

综上所述，本研究发现ccRCC的TCA循环和线粒体电子传递链活性相比其他肾癌亚型明显降低，但ccRCC的转移过程伴随着TCA循环活性上升和线粒体代谢的重塑。刺激线粒体呼吸或激活NADH循环可促进肿瘤转移，而抑制电子传递链复合物I活性则抑制转移。本研究揭示了线粒体功能，尤其是线粒体电子传递对肾癌转移至关重要。


1. Ricketts, C. J. et al. The Cancer Genome Atlas comprehensive molecular characterization of renal cell carcinoma. Cell Rep. 23, 313–326.e5 (2018).
2. Ivan, M. et al. HIFα targeted for VHL-mediated destruction by proline hydroxylation: implications for O2 sensing. Science 292, 464–468 (2001).
3. Mayr, J. A. et al. Loss of complex I due to mitochondrial DNA mutations in renal oncocytoma. Clin. Cancer Res. 14, 2270–2275 (2008).
4. Williamson, S. R. et al. Succinate dehydrogenase-deficient renal cell carcinoma: detailed characterization of 11 tumors defining a unique subtype of renal cell carcinoma. Mod. Pathol. 28, 80–94 (2015).



排版|探索君

文章来源|“BioArt”

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