BNIP3

本文为转化医学网原创，转载请注明出处 作者：Jerry 导读：越来越多的证据表明，细胞竞争是多细胞生物中重要的选择和质量控制机制，参与肿瘤的发生和发展;然而，细胞竞争和肿瘤耐药之间的机制作用仍然不明确。 7月5日，复旦大学郭坤教授团队在期刊《Cell Death&Disease》上发表了题为“BNIP3-mediated mitophagy boosts the competitive growth of Lenvatinib-resistant cells via energy metabolism reprogramming in HCC”的研究论文，本研究中，通过重编程能量代谢，构建的仑伐替尼耐药性肝细胞癌（HCC）细胞在竞争性生长方面明显优于敏感细胞。机制上，仑伐替尼耐药性HCC细胞中BCL2相互作用蛋白3（BNIP3）介导的线粒体自噬通过将能量生产从线粒体氧化磷酸化转移至糖酵解，从而促进糖酵解流，并通过调节AMP-激活蛋白激酶（AMPK）-己糖激酶2（ENO2）信号通路，持续维持仑伐替尼耐药性HCC细胞对敏感HCC细胞的竞争优势。值得注意的是，BNIP3抑制显著增强了仑伐替尼在HCC中的抗肿瘤作用。本研究强调了BNIP3-AMPK-ENO2信号通路在通过调节能量代谢重编程来维持仑伐替尼耐药性HCC细胞的竞争结果方面的重要作用；同时，这项研究将BNIP3确定为克服HCC药物耐药性的有前途的靶点。 https://www-nature-com.libproxy1.nus.edu.sg/articles/s41419-024-06870-9 研究背景 01 肝癌，尤其是肝细胞癌（HCC）是全球第四大癌症相关死亡原因，其发病率在全球范围内持续上升。目前，手术治疗是早期HCC患者实现长期生存的主要策略。然而，由于HCC缺乏典型的临床症状且进展迅速，超过70%的患者在确诊时已为晚期HCC。作为美国食品药品监督管理局（FDA）批准的晚期不可切除HCC的一线靶向药物，索拉非尼和仑伐替尼显示出良好的疗效；然而，不可避免的不良反应和低客观缓解率表明，药物抵抗已成为晚期HCC治疗的主要障碍。尽管在耐药逆转策略方面取得了进展，但仍有许多未解决的问题和挑战。 众所周知，肿瘤异质性被广泛认为是肿瘤能够克服进化压力的特征，在肿瘤耐药性的发展中起着关键作用。最近的一些证据表明，细胞竞争是多细胞生物中一个重要的选择和质量控制机制，它促进了肿瘤的表型异质性。带有Apc、Kras或PIK3CA突变的肠道干细胞（ISCs）作为超级竞争者，通过形成有利于隐窝定居的有利微环境，积极竞争并清除正常ISCs，最终导致结直肠癌的发生。值得注意的是，带有MYC突变的细胞已被证明可以通过增加乳酸的可用性，导致相邻的正常细胞发生凋亡，这与耐药细胞的代谢特征相一致。因此，迫切需要了解细胞竞争如何促进耐药性的发展，并利用这一知识来靶向由细胞竞争驱动的肿瘤耐药性。 细胞竞争驱动耐药新见解 02 近期的研究表明，激活糖酵解或能量代谢差异是驱动细胞竞争所必需的。值得注意的是，转录组分析显示，在肝癌细胞竞争场景中，耐药细胞具有较高的糖酵解活性，但减弱的氧化磷酸化水平以及减少的线粒体质量；然而，敏感细胞具有相反的代谢特征。重要的是，包括高葡萄糖摄取和乳酸分泌、高表达糖酵解相关关键酶、氧化磷酸化限速酶低表达、线粒体膜电位降低和线粒体质量减少在内的体外实验结果（CCHuh7R耐药细胞）再次证实了上述表型；此外，低葡萄糖处理导致耐药HCC细胞（CCHuh7R）的葡萄糖摄取减少和竞争优势减弱，这表明葡萄糖供应也影响胜者的糖酵解和细胞竞争；相反，氧化磷酸化激动剂钙三醇对葡萄糖摄取没有显著影响，但通过促进对手的死亡显著加剧了细胞竞争。这些结果表明，仑伐替尼耐药HCC细胞（CCHuh7R）和敏感HCC细胞（CCHuh7m）之间存在代谢差异，最终导致它们在竞争适应性方面存在差异。 HCC中仑伐替尼耐药细胞(胜利者)和仑伐替尼敏感细胞(失败者)之间的细胞竞争机制 小结展望 03 综上，本研究发现，线粒体自噬可以通过BNIP3-AMPK-ENO2信号通路显著促进能量生产从线粒体氧化磷酸化向糖酵解的转变，从而维持对仑伐替尼耐药的HCC细胞的生长，并在细胞竞争情景下通过牺牲敏感细胞导致HCC的发生。然而，基于多药联合治疗在临床上的普遍性，在未来的临床研究中需要验证BNIP3-AMPK-ENO2轴在HCC中的作用机制，以明确细胞竞争与仑伐替尼耐药性之间的联系。 众所周知，由能量代谢重编程驱动的细胞竞争参与了肿瘤的发生和发展，越来越多的证据表明，代谢转移-有丝分裂在促进耐药和各种恶性行为中起着关键作用，所获得的知识将为理解细胞竞争作为肿瘤异质性的重要因素提供基础，有望成为潜在的治疗生物物理特性。 靶向与有丝自噬相关的BNIP3可能是克服HCC甚至其他多种肿瘤耐药的有希望的策略。 参考资料： https://www-nature-com.libproxy1.nus.edu.sg/articles/s41419-024-06870-9 【关于投稿】 转化医学网（360zhyx.com）是转化医学核心门户，旨在推动基础研究、临床诊疗和产业的发展，核心内容涵盖组学、检验、免疫、肿瘤、心血管、糖尿病等。如您有最新的研究内容发表，欢迎联系我们进行免费报道（公众号菜单栏-在线客服联系），我们的理念：内容创造价值，转化铸就未来！ 转化医学网（360zhyx.com）发布的文章旨在介绍前沿医学研究进展，不能作为治疗方案使用；如需获得健康指导，请至正规医院就诊。 热门·直播/活动 🕓 上海｜07月09日 ▶ 细胞分析前沿应用——药物毒理学与安全性评价解决方案主题研讨会 🕓 北京｜07月12日 ▶ 2024单细胞组学在风湿免疫疾病研究与诊疗中的应用研讨会 🕓 北京｜09月20日-21日 ▶ 第五届单细胞技术应用研讨会暨空间组学前沿研讨会欢迎您的参与！ 点击对应文字 查看详情

最近，Roche的BTK抑制剂因肝损伤叫停了部分临床研究，其他一些经典药物，如PD-1抗体、CTLA-4抗体、对乙酰氨基酚等也存在肝毒性。通过这些经典药物，了解药物肝毒性的免疫学机制。BTK抑制剂肝损伤目前多款BTK抑制剂（例如默克的evobrutinib，赛诺菲的Tolebrutinib，罗氏的Fenebrutinib,强生ibrutinib等），均在临床及临床实验中报告肝毒性。BMC Gastroenterol (2021)BTK抑制剂诱导的肝毒性的发病机制尚不清楚。已经提出了几种机制，包括遗传变异引起的免疫机制、氧化损伤和线粒体功能障碍导致的直接肝毒性。BTK抑制剂依赖细胞色素P450，但是会产生生物活化产物，被认为是酪氨酸激酶抑制剂诱导的肝毒性的起始事件。免疫治疗肝毒性肝毒性是PD-1抗体、CTLA-4抗体主要的irAEs之一，尤其是二者联用，发生率会激增（如下图）。JHEP Rep. 2020免疫检查点抑制剂的副作用，通常与不成比例和不受调节的免疫反应有关，如自身免疫性疾病。这反过来又会导致器官损伤，可能包括直接和间接的免疫相关细胞毒性作用。PDL-1 是一种在多种组织和肿瘤中表达的跨膜蛋白。它的作用是保护细胞免受CD8+细胞毒性T淋巴细胞的攻击。PDL-1 与存在于T 细胞、B 细胞和髓系细胞中的 PD-1 结合并调节其抑制作用。因此，阻断 PDL-1/PD-1 通路会诱导细胞毒性活性并赋予对癌细胞的免疫反应，但也通过自身免疫反应造成组织损伤。此外，ICI 还可以改变CD8+ T 细胞的性质，使它们更容易合成细胞毒性物质，如干扰素 γ （IFN-γ）、颗粒酶和颗粒溶解素等。同样， CTLA-4 是一种位于调节性 T 细胞和活化 T 细胞表面的受体。在与抗原呈递细胞表面的CD80或CD86结合后，它通过抑制信号充当关闭开关，导致T细胞功能减弱，因此抑制这种受体允许T细胞高反应性。活化和不受调节的T细胞引起的细胞毒性损伤被认为是免疫检查点抑制剂肝损伤的主要机制。JHEP Rep. 2020对乙酰氨基酚肝毒性对乙酰氨基酚（Acetaminophen ，APAP) ）是最常用的感冒药之一，因为超过剂量服用会造成肝毒性，甚至急性肝功能衰竭。APAP 首先被细胞色素 P450 酶（主要通过 Cyp2E1）代谢，以产生毒性代谢物 NAPQI，其消耗肝脏 GSH 并与细胞和线粒体蛋白结合形成 APAP-加合物 （APAP-AD），导致线粒体氧化应激。氧化应激和线粒体蛋白加合物的增加引发线粒体损伤。受损的线粒体可导致细胞死亡、炎症和随后的肝损伤。p62 是一种自噬受体蛋白，被募集到 APAP-AD，促进 APAP-AD 转变为不溶性形式，被自噬体识别和隔离，并最终被自噬溶酶体去除。受损的线粒体可以通过 PINK1-Parkin 介导的选择性线粒体自噬去除。受损的线粒体可以稳定线粒体PINK1，该线粒体 PINK1 将 Parkin 募集到线粒体以触发线粒体蛋白的泛素化。线粒体泛素化-p62-LC3 复合物，通过线粒体自噬促进受损线粒体的识别和去除。除了 PINK1/Parkin 通路外，其他几种线粒体外膜蛋白（FUNDC1、Bnip3 和 Nix）可能通过其 LC3 相互作用区域直接与 LC3 相互作用，介导不依赖 PINK1- Parkin 的线粒体自噬。自噬可以通过去除受损的线粒体和线粒体DNA 来抑制炎症和炎症小体活化。Torin 1 或雷帕霉素可以靶向 ULK1 复合物以诱导自噬，通过去除 APAP 加合物和受损的线粒体来防止 APAP 诱导的肝损伤。相反，3-MA 抑制 VPS34 复合物以抑制上游自噬体的形成，而亮抑酶肽或 CQ 损害自体溶酶体/溶酶体功能，分别导致 APAP 诱导的坏死和肝损伤加重。Liver Int. 2018 参考资料Roche/GenentechFenebrutinib: https://www.gene.com/media/statements/ps_113023Atallah et al.Zanubrutinib-induced liver injury: a case report and literature review，BMC Gastroenterol (2021) 21:244 https://doi-org.libproxy1.nus.edu.sg/10.1186/s12876-021-01825-2Eleonora De Martin et al, Liver toxicity as a limiting factor to the increasing use of immune checkpoint inhibitors，JHEP Rep. 2020 Aug 11;2(6):100170. doi: 10.1016/j.jhepr.2020.100170. Da Cunha T. et al.Immunotherapy-induced Hepatotoxicity: A Review,Journal of Clinical and Translational Hepatology 2022，DOI: 10.14218/JCTH.2022.00105Chao et al.Role and Mechanisms of Autophagy in Acetaminophen-induced Liver Injury,Liver Int. 2018 August ; 38(8): 1363–1374. doi:10.1111/liv.13866.

线粒体自噬(mitophagy)是重要的线粒体质量及数量调控机制, 与发育、癌症、衰老和神经退行性病变等生理病理状况高度相关。现已知两类哺乳动物mitophagy通路：由PINK1-Parkin介导的泛素依赖途径，以及由BNIP3, NIX和FUNDC1等介导的受体依赖途径。然而，人们对mitophagy调控机制及其生理病理意义仍有待探索。突出的表现是，缺失已知mitophagy通路的小鼠(如Pink1-/-、Parkin-/-、Bnip3-/-等)表型微弱，与普遍认知的mitophagy重要性有明显差距。2023年12月26日，北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院蒋辉实验室在Molecular Cell在线发表了题为"A mitophagy sensor PPTC7 controls BNIP3 and NIX degradation to regulate mitochondrial mass"的论文。该论文发现了一个感知并抑制mitophagy的因子PPTC7，阐明了PPTC7调控mitophagy的分子机制并揭示其对线粒体数量和代谢稳态的调控作用。作为监控mitophagy水平的关键因子，PPTC7感知mitophagy受体BNIP3和NIX的蛋白水平，进而起始BNIP3/NIX-PPTC7-SCFFBXL4完整复合物的组装，促进SCFFBXL4泛素化和降解BNIP3和NIX，从而抑制mitophagy。该通路对维持细胞线粒体数量、代谢平衡、和个体存活至关重要。01FBXL4介导的mitophagy调控与退行性疾病MTDPS13蒋辉实验室长期从事线粒体蛋白稳态调控机制研究，之前报道了一个线粒体外膜复合物UBXD8-VCP介导BNIP3降解，从而抑制mitophagy(链接：EMBO Reports | 蒋辉实验室揭示UBXD8调控凋亡和线粒体自噬的分子机制)。为进一步发掘mitophagy调控机制，研究生曹钰通过靶向线粒体的遗传筛选发现多个mitophagy抑制因子，其中包括FBXL4和PPTC7(链接：EMBO Journal | 蒋辉实验室揭示线粒体自噬调控及线粒体疾病新机制)。已知FBXL4突变导致致死性退行性疾病线粒体DNA耗竭综合征13(MTDPS13)1,2，但其机理未明。作者发现FBXL4定位于线粒体外膜，与Skp1和Cullin1组成SCFFBXL4 E3泛素连接酶。SCFFBXL4通过泛素化降解BNIP3和NIX来抑制mitophagy。而病人来源的FBXL4突变抑制SCFFBXL4组装，导致BNIP3和NIX蛋白积累和mitophagy过度激活。FBXL4突变患者表现出mtDNA耗竭、线粒体数量减少、酸中毒、神经和肌肉退行性病变等严重症状。与FBXL4突变病人类似，Fbxl4-/-小鼠表现出BNIP3和NIX蛋白积累、mitophagy失控、线粒体数量减少、代谢紊乱和围产期死亡等严重表型。更重要的是，在Fbxl4-/-小鼠中敲除Bnip3或Nix可以挽救线粒体数量、恢复代谢平衡并挽救小鼠寿命。这些结果表明过度mitophagy导致的线粒体数量减少是MTDPS13的致病原因并为治疗提供了思路。02PPTC7调控FBXL4介导的BNIP3和NIX降解鉴于BNIP3和NIX强大且危险的线粒体清除能力，细胞必须牢牢控制其水平，但细胞监控并调节BNIP3和NIX降解的分子机制仍不清楚。研究生孙雨秋研究另一个筛选发现的mitophagy抑制因子PPTC7。前人研究表明PPTC7是定位于线粒体基质的磷酸酶。但令人诧异的是，与敲除FBXL4类似，敲除PPTC7同样导致BNIP3和NIX的积累和过度mitophagy；Pptc7-/-小鼠表现出mitophagy失控、线粒体数量减少和围产期死亡的表型，且该表型可以被Nix敲除所挽救(图1)。此外，PPTC7过表达可促进内源BNIP3和NIX被FBXL4降解，而FBXL4过表达则没有效果，提示PPTC7作为上游限速因子调控FBXL4介导的BNIP3和NIX降解。但是，线粒体基质蛋白PPTC7如何调控线粒体外膜上的蛋白降解？图1PPTC7缺失过度激活BNIP3和NIX依赖的mitophagy，造成线粒体数量减少和小鼠死亡。A,Pptc7 -KO升高小鼠肝脏中mitophagy受体BNIP3和NIX的蛋白水平(红框)并导致其他线粒体蛋白减少(蓝框)。B,小鼠生存曲线。03PPTC7前体通过与BNIP3/NIX直接互作，滞留在线粒体外膜通常情况下，线粒体基质蛋白的前体形式(precursor)在N端定位序列(targeting sequence)的引导下进入线粒体，并在线粒体基质切除定位序列，完成成熟过程。作者发现在野生型细胞里，PPTC7以成熟形式(mature form,切除了定位序列)存在于线粒体基质，而在FBXL4-KO细胞里，PPTC7同时具有定位于线粒体基质的成熟形式和定位于线粒体外膜的前体形式。进一步分析表明，FBXL4-KO细胞中积累的BNIP3和NIX导致PPTC7前体出现在线粒体外膜;在野生型细胞中直接过表达BNIP3或NIX也可诱导PPTC7前体出现在线粒体外膜定位。通过体外重组蛋白实验，作者发现BNIP3和NIX与PPTC7直接互作，并使用交联质谱分析了NIX-PPTC7的互作区域。在截去NIX与PPTC7的直接互作区域后，NIX无法诱导PPTC7前体的外膜定位，表明BNIP3和NIX通过与PPTC7的直接互作，将PPTC7前体定位于线粒体外膜。04弱化的PPTC7定位序列帮助PPTC7在线粒体外膜滞留有意思的是，作者发现与经典线粒体基质定位序列相比，PPTC7的定位序列长度短且引导能力差，推测该特征削弱了PPTC7前体进入线粒体基质的能力，有利于PPTC7前体被外膜BNIP3/NIX滞留。因此，研究者将PPTC7的定位序列替换成经典序列，发现它使PPTC7全部进入线粒体基质，无法被滞留在外膜，失去调节BNIP3和NIX降解的能力。05外膜PPTC7起始组装BNIP3/NIX-PPTC7-SCFFBXL4复合物那么外膜PPTC7如何促进SCFFBXL4介导的BNIP3和NIX降解呢？作者发现除与BNIP3/NIX直接互作之外，PPTC7还与SCFFBXL4复合物中的Cullin1直接互作。作者表达纯化了NIX，PPTC7，FBXL4,Cullin1-Rbx1和Skp1的重组蛋白，发现只有在所有蛋白都存在的情况下，这些蛋白才能组装成完整的NIX-PPTC7-SCFFBXL4复合物，缺少NIX，PPTC7，FBXL4任何一个组分都导致复合物散架。以上结果提供了一个mitophagy的负反馈调控模型:积累在线粒体外膜的mitophagy受体BNIP3和NIX与PPTC7前体直接互作，将其滞留在外膜，起始BNIP3/NIX-PPTC7-SCFFBXL4复合物的组装，从而泛素化和降解BNIP3和NIX，防止mitophagy过度激活(图2)。06禁食情况下，肝脏诱导PPTC7来抑制mitophagy和维持代谢稳态一个重要的问题是在负反馈调控mitophagy之外，PPTC7是否还会响应生理信号？鉴于PPTC7过表达能促进BNIP3和NIX降解，作者重点研究了生理信号对PPTC7表达的调节，发现禁食不改变骨骼肌PPTC7的表达，但在肝脏强烈诱导PPTC7。与之相对应，禁食强烈诱导骨骼肌mitophagy，但不改变肝脏mitophagy水平，作者推测肝脏mitophagy受到PPTC7上调的压制。因此，作者在小鼠肝脏敲除PPTC7，发现禁食导致缺失PPTC7的肝脏丢失大量线粒体。禁食情况下，肝脏负有重要使命-通过糖异生(gluconeogenesis)维持血糖水平。而糖异生需要线粒体提供两个重要支持：ATP和丙酮酸羧化酶(pyruvate carboxylase)。作者发现，敲除肝脏PPTC7导致禁食状态下肝脏ATP缺乏，糖异生受阻，造成严重的低血糖。因此，禁食情况下，肝脏特异上调PPTC7以压制mitophagy，从而维持线粒体数量和代谢稳态(图2)。图2 PPTC7调控mitophagy的工作模型。1. mitophagy的负反馈稳态调控。正常情况下，PPTC7表达后进入线粒体基质行使正常功能。当mitophagy受体BNIP3和NIX积累时，BNIP3/NIX将PPTC7前体滞留于外膜，起始BNIP3/NIX-PPTC7-SCFFBXL4复合物组装，从而降解BNIP3和NIX，防止mitophagy过度激活和线粒体丢失。2. 在禁食情况下，肝脏上调PPTC7以压制mitophagy，从而维持肝脏能量供应和糖异生通路活力，维持血糖水平。综上，该工作报道了一个感知和抑制mitophagy的PPTC7-SCFFBXL4通路。PPTC7作为关键调控因子，能够整合稳态维持和生理信号来调控mitophagy水平，以此维持线粒体数量和细胞代谢稳态。该通路的发现显著增进了我们对mitophagy与线粒体数量控制(mitochondrial mass control)的理解。禁食情况下，肝脏和骨骼肌对mitophagy的差异化调节及其功能研究也丰富了我们对生理情况下组织特异性mitophagy调控的认知。清华大学生物医学交叉研究院博士生孙雨秋为论文第一作者，蒋辉博士为通讯作者。该论文其他作者包括蒋辉课题组的曹钰和万华云，董梦秋实验室的阿达莱提买买提明和董梦秋博士，代谢组学中心的马燕博士和曹杨，蛋白质组中心的陈涉博士和李琳，遗传筛选中心的李祺博士和吴重阳，刘清华实验室的王濛。该研究由科技部、北京市政府和清华大学共同资助，在北京生命科学研究所完成。论文链接：https://www-cell-com.libproxy1.nus.edu.sg/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(23)01014-6本文仅用于学术分享，转载请注明出处。若有侵权，请联系微信：bioonSir 删除或修改！