EMBO J | 空军军医大学邢金良/黄启超团队揭示mDia2丙二酰化修饰调控肝癌转移新机制

2022-05-19 15:30:07, 景杰生物杭州景杰生物科技股份有限公司

景杰生物 | 报道

肝癌是全世界发病率和死亡人数最高的癌症之一，其中肝细胞癌 (HCC) 是最常见的肝癌类型。HCC的转移和复发是导致患者治疗失败甚至死亡的最重要原因，因此研究肝癌的转移机制有利于发现癌细胞的弱点。以往的研究表明，细胞迁移、细胞外基质重塑和血管生成等关键的生物学过程在肝癌转移过程中往往被激活，从而发挥重要作用。然而，负责激活这些过程的细胞和分子机制尚未完全阐明 [1]。

肌动蛋白(actin) 是微丝的结构蛋白，以两种形式存在，即单体球状肌动蛋白 (G-actin) 和聚集体纤维状肌动蛋白 (F-actin)。胞质中肌动蛋白的结构重组因其在癌细胞侵袭和转移过程中的作用而得到充分研究，肌动蛋白在细胞核内的存在早已被广泛认可，但有关其动态组装成F-actin的争论已经持续了几十年。近年来，随着显微技术的进步和肌动蛋白探针的发展，使得核肌动蛋白组装的可视化成为可能。相关研究表明几种外界刺激 (包括血清刺激、DNA损伤和病毒感染) 均可诱导细胞核内F-actin的形成。然而，细胞核内F-actin在癌细胞转移过程中的确切作用尚不清楚。

线粒体转录因子A (TFAM) 在线粒体生理功能和TCA循环的调控中发挥着关键作用。最近研究人员发现TFAM在结肠炎相关癌 (CAC) 组织中高度上调，并通过增强线粒体的氧化磷酸化，从而发挥促癌作用。此外，TFAM还可以通过触发黑素瘤细胞中更具侵袭性基因的表达来促进肿瘤发生。

近日，空军军医大学邢金良与黄启超教授团队在知名期刊EMBO J (IF=11.598)上发表了题为TFAM loss induces nuclear actin assembly upon mDia2 malonylation to promote liver cancer metastasis 的最新成果。该研究报道了线粒体转录因子TFAM缺失会抑制线粒体的TCA循环，促进胞质中丙二酰辅酶A的累积，导致肌动蛋白的结合蛋白mDia2发生丙二酰化修饰和核转位，从而促进核肌动蛋白聚成F-actin，进而诱导包括细胞外基质 (ECM) 重构、血管生成、细胞迁移和粘附等转移相关基因的表达，最终促进肝癌转移。景杰生物为该研究提供了乙酰化、乳酸化与丙二酰化修饰抗体，文中插图 (图4) 由景杰生物绘制。

为了探讨线粒体代谢功能和形态异常对肝癌转移的影响，研究者首先构建了TFAM、MFN1、MFN2肝脏特异性基因敲除的小鼠模型，并通过高压尾注射致癌基因Akt/β-catenin和Akt/N-ras或使用DEN和CCL4处理诱导肝癌发生。小鼠肺部图像和HE染色结果显示只有TFAM敲除小鼠出现肝癌的肺转移，而MFN1、MFN2敲除小鼠不发生转移，另外纯合的TFAM敲除小鼠肝癌肺转移率远高于杂合的TFAM敲除小鼠，这表明TFAM敲除可以极大地增强肝癌的转移能力。

图1 TFAM缺失诱导肝癌小鼠发生肺转移

之前的研究表明F-actin的重构可以促进假足的形成和粘着斑转换，这些是肿瘤转移的重要基础。研究人员为了研究敲低TFAM是否通过影响肌动蛋白来促进肝癌细胞的转移，于是在肝癌细胞中采用了对F-actin具有高度亲和力的探针鬼笔环肽 (phalloidin)进行荧光共聚焦实验。令人惊喜的是，TFAM敲低的肝癌细胞中核肌动蛋白的聚集程度显著高于对照组细胞，而过表达TFAM的肝癌细胞中核肌动蛋白的聚集程度显著低于对照组细胞。另外，在TFAM低表达的人肝癌组织中肌动蛋白的聚集程度显著高于TFAM高表达的人肝癌组织。这些结果表明，TFAM敲低可诱导肝癌细胞的核肌动蛋白发生聚集。另外，研究者通过在肝癌细胞中转染核肌动蛋白突变体R62D发现其聚集程度降低，并且有效抑制肝癌的转移。

图2 敲低TFAM可诱导肝癌细胞的核肌动蛋白发生聚集

大量研究表明，蛋白质翻译后修饰 (PTMs) 对与蛋白质的亚细胞定位有重要影响，并且细胞内的大量代谢物与PTMs之间存在紧密联系。为了探究TFAM敲低是如何通过线粒体传递信号至细胞核促进肌动蛋白的聚集，研究人员通过靶向代谢组学评估了葡萄糖代谢中的几个关键代谢产物，发现TFAM敲低可导致线粒体TCA循环受阻，乙酰辅酶A、草酰乙酸和苹果酸水平降低，柠檬酸水平升高。线粒体内大量积累的柠檬酸转运到细胞质中生成大量乙酰辅酶A和下游的丙二酰辅酶A，从而增加肌动蛋白结合蛋白mDia2的丙二酰化修饰水平，并介导其发生核转位，进而促使细胞核肌动蛋白聚集成F-actin。接着研究人员发现使用小分子抑制剂抑制丙二酰辅酶A的生成可以显著减少核肌动蛋白的聚集，最终抑制肝癌的转移。

图3 敲低TFAM可诱导mDia2的丙二酰化，促进其核转位

综上所述，该研究通过揭示线粒体-细胞核逆行信号将线粒体与肝癌的转移联系起来：肝癌细胞中下调的TFAM会阻碍线粒体TCA循环，升高代谢中间产物丙二酰-CoA，介导mDia2的丙二酰化修饰和核转位，进而促进肌动蛋白聚集和多个转移相关基因的表达，最终导致肝癌的转移。该研究揭示了TFAM作为肝癌转移的预后标志物和治疗靶点的潜在价值。