Cell |線粒體融合通過誘導代謝重編程導致了腫瘤細胞的永生

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撰文丨阿童木

責編 | 兮

正常細胞在長期進化中形成了一種自我摧毀機制,即經過約50-60次的分裂後細胞會逐漸死亡,而腫瘤細胞由於端粒酶異常活化等原因能夠無限分裂而具有永生性。腫瘤細胞的永生性依賴於其與正常細胞不同的生理特徵,其中代謝途徑的重編程(reprogramming)能夠滿足腫瘤細胞對能量和細胞大分子的旺盛需求,也是腫瘤發生的特徵之一。上世紀20年代,Otto Warburg發現腫瘤細胞即使在氧氣充足條件下仍大量利用葡萄糖通過糖酵解而非正常的氧化磷酸化(OxPhos)產生乳酸,這一現象被稱為「瓦伯格效應」【1】。雖然瓦伯格效應在各類腫瘤發生中均已得到驗證,但近年來發現OxPhos和線粒體依賴性能量合成等過程對一些腫瘤細胞的乾性維持(retaining stemness)作用關鍵【2, 3】,但這些代謝途徑是如何促進腫瘤細胞永生的,目前仍不清楚。

與哺乳動物腫瘤發生過程中複雜的腫瘤微環境及高度異質性相比,利用果蠅神經幹細胞構建的腫瘤模型相對簡約、譜系清晰且易於利用多種生物學標記進行示蹤,是研究腫瘤發生中代謝重編程的良好模型。成神經細胞(NBs, neuroblasts)中RNA結合蛋白Brain tumor(Brat)的突變會誘導神經前體細胞的細胞周期異常,產生具有永生性的腫瘤成神經細胞(tNBs, tumor NBs),最終形成具有高致死性的腦瘤【4】。雖然所有的腦NBs都處於靜止狀態並在化蛹過程中分化或死亡,但tNBs可以持續增殖到成蟲期,表明其主要的擴散控制機制發生異常。儘管如此,我們對控制tNBs永生及tNBs抵禦變態發育誘導細胞分化的機制仍知之甚少。

近日,奧地利科學院分子生物技術研究所Juergen A. Knoblich博士課題組在Cell 雜誌發表了題為Oxidative Metabolism Drives Immortalization of Neural Stem Cells during Tumorigenesis的長文,發現果蠅「腦瘤」發生過程中線粒體融合能夠誘導腫瘤細胞的氧化磷酸化和NAD+代謝,而NAD+的過度合成是誘導腫瘤細胞永生的關鍵因素。

Cell |線粒體融合通過誘導代謝重編程導致了腫瘤細胞的永生


為驗證果蠅神經幹細胞的永生是否伴隨著代謝變化,作者首先比較了正常的II型NB細胞(NBIIs)與Brat敲低誘導的tNBs中與糖異生、糖酵解和OxPhos等能量代謝有關的酶類表達水平是否發生變化,發現tNBs中一些與糖酵解和促發酵有關的酶類表達上調,而與OxPhos有關的酶表達不變或下調,表明bratRNAi導致的腦瘤發生時果蠅會以犧牲OxPhos為代價增強糖酵解活性。通過直接監測腦瘤組織的代謝變化,作者發現腦瘤細胞的氧消耗率(OCR, oxygen consumption rate)和細胞外酸化率(ECAR, extracellular acidification rate)升高,且OCR/ECAR也明顯上升,表明氧化代謝上調。靶向代謝組分析表明腦瘤組織中一些三羧酸循環(TCA)循環中間產物、乳酸和丙酮酸上升。進一步研究發現,以Gln(谷氨醯胺)為碳源的TCA中間產物循環效率更高。因此,腦瘤組織主要依靠Gln而非葡萄糖為碳源支持OxPhos,且由Gln產生TCA循環中間產物在TCA循環中在OxPhos中發揮了更加積極的作用,表明腦瘤細胞優先利用Gln供應OxPhos。通過構建表達NADH和NAD+「感測器」(SoNar)的轉基因果蠅,作者檢測了腦瘤細胞的能量來源,發現大多數腦瘤細胞利用OxPhos而非糖酵解獲得能量

通過流式細胞分選分析腦瘤組織內細胞的異質性後,作者發現其中細胞的異質性較高,絕大多數細胞的增殖能力較弱,但活性氧(ROS)解毒和內質網(ER) /線粒體應激活躍,而少數細胞具有很高的增殖能力和OxPhos活性。分選得到的3類細胞(c1、c2和c3)中,c1中增殖性和氧化性較高的tNBs在腫瘤發生過程中首先產生,而c2和c3中的糖酵解活躍細胞通過生理變化而適應缺氧的腫瘤環境,產生較晚。分析c1特異性轉錄因子的表達模式後,作者發現pdp1是腦瘤組織中高氧化性和高增殖性細胞亞群的特異性轉錄調節因子


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圖1 能量代謝基因對果蠅腫瘤發生的影響


為驗證代謝變化與腫瘤生長的生物學相關性,作者對影響腦瘤致死率的能量代謝基因進行了篩選,發現與糖異生、糖酵解或發酵相關酶的敲低並不能延長患腦瘤果蠅的壽命,而敲低TCA相關酶類或電子傳遞鏈(ETC)組分的編碼基因會誘導腫瘤的恢復。腫瘤特異性RFP成像數據同樣表明敲低糖酵解、發酵及磷酸戊糖途徑相關酶的編碼基因並不會降低腫瘤負荷,而敲低TCA循環相關酶類或ETC組分的編碼基因會抑制腫瘤生長(圖1)。進一步研究證明,OxPhos對於腫瘤細胞增殖是必需的,而正常的NBII細胞的增殖並沒有特別依賴於OxPhos,缺氧環境不會影響正常NBII細胞的增殖,但會抑制腦瘤細胞的生長。上述研究證明了當NBs變成致瘤性tNBs時,細胞代謝會從糖酵解轉變為OxPhos

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圖2 tNBs細胞中線粒體融合異常增強

由於tNBs中TCA循環的關鍵酶及ETC組分編碼基因的轉錄水平變化不明顯甚至下調,因此作者再次分析了轉錄組數據,以尋找導致上述代謝重編程的其他原因。分析後發現與線粒體融合有關的Marf和Opa1基因表達上調,線粒體融合已被證明是OxPhos的誘導因素【5】,而tNBs的線粒體形態出現增大和伸長等融合表型(圖2),且這些融合線粒體的ETC活性上升。tNBs中敲低Marf或Opa1的表達會抑制線粒體融合,同時也會抑制腫瘤的生長。因此,線粒體融合是果蠅bratRNAi型腦瘤發生的重要原因,也是誘導果蠅tNBs代謝重編程的關鍵因素。隨後作者使用SoNar檢測了NBII譜系的細胞在腫瘤發生過程中的代謝狀態,發現brat敲低一段時間(48h)後腫瘤起始細胞中NADH和NAD+水平顯著上升,且線粒體融合、NADH/NAD+「生物能開關」(bioenergetic switch)的開啟與腫瘤起始細胞的永生化過程相同步OxPhos和線粒體融合對bratRNAi 誘導腫瘤細胞的永生化不可或缺,而相比於氧化代謝中ATP或ROS的生成,NAD+代謝是TICs永生化的關鍵原因


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圖3 線粒體融合誘導的代謝重編程導致了腫瘤細胞的永生

綜上所述,本研究利用單細胞轉錄組學及細胞譜系示蹤等技術發現轉錄因子brat敲低所誘導的果蠅腦瘤組織中存在一個分裂和氧化磷酸化活躍的幹細胞亞群,結合靶向代謝組學和體內基因篩選,證明線粒體融合通過誘導氧化磷酸化和NAD+代謝促進了腫瘤發生過程中神經幹細胞的永生(圖3)

原文鏈接

https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.07.039


製版人:毯毯



參考文獻



1. Warburg, O., Wind, F., and Negelein, E. (1927). THE METABOLISM OF TUMORS IN THE BODY. J. Gen. Physiol. 8, 519–530.

2. Courtney, K.D., Bezwada, D., Mashimo, T., Pichumani, K., Vemireddy, V., Funk, A.M., Wimberly, J., McNeil, S.S., Kapur, P., Lotan, Y., et al. (2018). Isotope Tracing of Human Clear Cell Renal Cell Carcinomas Demonstrates Suppressed Glucose Oxidation In Vivo. Cell Metab. 28, 793–800.e2

3. Kuntz, E.M., Baquero, P., Michie, A.M., Dunn, K., Tardito, S., Holyoake, T.L., Helgason, G.V., and Gottlieb, E. (2017). Targeting mitochondrial oxidative phosphorylation eradicates therapy-resistant chronic myeloid leukemia stem cells. Nat. Med. 23, 1234–1240.

4. Reichardt, I., Bonnay, F., Steinmann, V., Loedige, I., Burkard, T.R., Meister, G., and Knoblich, J.A. (2018). The tumor suppressor Brat controls neuronal stem cell lineages by inhibiting Deadpan and Zelda. EMBO Rep. 19, 102–117.

5. Mishra, P., and Chan, D.C. (2016). Metabolic regulation of mitochondrial dynamics. J. Cell Biol. 212, 379–387.