Cell Res：2篇！复旦大学邵志敏等团队合作揭示缺氧限制氧化磷酸化及三阴性乳腺癌肿瘤内异质性和免疫治疗耐药的机理

氧化磷酸化(OXPHOS)消耗氧气产生ATP。然而，平衡OXPHOS活性和细胞内氧可用性的机制仍然难以捉摸。

2024年1月2日，复旦大学邵志敏及徐薇共同通讯在Cell Research在线发表题为“Hypoxia induces mitochondrial protein lactylation to limit oxidative phosphorylation”的研究论文，该研究发现线粒体蛋白乳酸化是由细胞内缺氧诱导的，用以限制OXPHOS。该研究发现发现线粒体alanyl-tRNA合成酶(AARS2)是一种蛋白质赖氨酸酰基转移酶，其蛋白酶体降解通过氧敏感羟化酶PHD2催化脯氨酸377羟基化而增强。

缺氧诱导AARS2积累到丙酮酸脱氢酶复合物中的PDHA1赖氨酸336和肉碱棕榈酰基转移酶2 (CPT2)赖氨酸457/8，分别通过限制丙酮酸和脂肪酸氧化的乙酰辅酶A内流来灭活这两种酶和抑制OXPHOS。SIRT3可以逆转PDHA1和CPT2的乳酸化，从而激活OXPHOS。在小鼠肌肉细胞中，运动时乳酸氧化诱导的细胞内缺氧诱导乳酸化，以限制高强度耐力跑竭时间，可通过降低或增加乳酸化水平分别增加或减少乳酸化时间。总之，该研究结果表明线粒体蛋白乳酸化整合了细胞内缺氧和乳酸信号来调节OXPHOS。

2024年1月2日，复旦大学邵志敏、江一舟及狄根红共同通讯在Cell Research在线发表题为“ZNF689 deficiency promotes intratumor heterogeneity and immunotherapy resistance in triple-negative breast cancer”的研究论文，该研究发现ZNF689缺乏可以促进三阴性乳腺癌肿瘤内异质性和免疫治疗耐药。研究结果显示，高肿瘤内异质性(ITH)与患者生存差和免疫治疗抵抗有关。重要的是，锌指蛋白689 (ZNF689)缺乏是ITH形成的关键决定因素。在机制上，ZNF689-TRIM28复合物被发现直接结合到长穿插元件-1 (LINE-1)的启动子上，诱导h3k9me3介导的转录沉默。ZNF689缺陷重新激活了LINE-1逆转录转位，加剧了基因组的不稳定性，从而促进了ITH。单细胞RNA测序、空间分辨转录组学和流式细胞术分析证实，ZNF689缺陷诱导的ITH抑制抗原呈递和T细胞活化，赋予免疫治疗抗性。药物抑制LINE-1可显著降低ITH，增强抗肿瘤免疫，最终使体内缺乏ZNF689的肿瘤对免疫治疗增敏。在临床样本中，ZNF689的表达与良好的预后和免疫治疗反应呈正相关。总之，该研究揭示了之前未被认识的ZNF689缺陷诱导ITH的机制，并建议LINE-1抑制联合免疫治疗作为TNBC的一种新的治疗策略。

氧化磷酸化(OXPHOS)是主要的ATP生成过程，需要氧气。在运动过程中，肌肉细胞上调OXPHOS以增加能量供应虽然这些过程与运动中肌肉收缩时通过线粒体网分布的ATP供应增加是一致的，但这就提出了一个问题，即肌肉细胞如何在产生ATP的耗氧OXPHOS和运动产生的缺氧条件之间保持平衡。这是因为，尽管运动期间肺扩散能力、心输出量、血液携氧能力和骨骼肌吸氧能力的增强增加了肌内供氧，但在肌肉中引起缺氧，即在最大耗氧量(VO₂max)约65%时，运动时氧分压(PO₂)从静止时的~ 40托降至3-4托。此外，肌肉细胞用来防止活性氧(ROS)过量产生的机制尚不清楚，ROS在耐力运动相关的缺氧情况下发生，并导致细胞和组织的氧化应激。

细胞生理通过脯氨酸羟化酶(PHDs)-von hipellindau (VHL)-缺氧诱导因子α (HIFα) 轴感应氧的可用性来适应氧的可用性。PHD使用氧和α-酮戊二酸作为底物，将含有PHD识别序列的蛋白质中的脯氨酸残基羟基化羟基化蛋白，如HIF1α，随后被E3连接酶VHL识别和降解HIFαs是调节一系列过程的转录因子，如葡萄糖摄取、糖酵解和血管化，这些过程为OXPHOS提供底物。然而，HIFαs并不直接调节肌肉细胞的OXPHOS，而只是发挥转录调节作用，需要数小时才能发挥作用，因此滞后于运动引起的肌肉中OXPHOS的变化，而运动后肌肉中OXPHOS的变化只需几分钟就会显现出来。

机理模式图（图源自Cell Research ）

由于有氧糖酵解和糖原分解代谢增强，丙酮酸升高，乳酸很快被运动或心跳诱导，然后丙酮酸通过乳酸脱氢酶A (LDHA)在热力学上有利地转化为乳酸。除了LDHA外，乳酸稳态也由丙酮酸脱氢酶复合物(PDC)决定，该复合物将丙酮酸作为OXPHOS底物传导到乙酰辅酶A (Ac-CoA)。在肌肉细胞中，PDC在运动中由于NADH/NAD⁺比值和金属离子的变化而被激活，可以通过乙酰化，和PHD3结合PDC E1 β (PDHE1B)而失活，都导致PDC的催化亚基PDHA1的丝氨酸232,293和300磷酸化增加。限制AcCoA，通过PDC1或脂肪酸氧化(FAO)产生葡萄糖、糖原和乳酸盐的分解代谢，抑制OXPHOS并减少氧气消耗。然而，乳酸通过OXPHOS作为肌肉和心脏细胞的首选燃料来源，抑制脂解作用和肉碱棕榈酰基转移酶1 (CPT1)介导的脂肪酸进入线粒体，表明乳酸对OXPHOS具有正调控和负调控作用。

该研究证明了OXPHOS受线粒体蛋白乳酸化的负调控，这是由OXPHOS诱导的细胞内缺氧引起的。因此，线粒体蛋白乳酸化代表了一种约束OXPHOS的反馈机制。除了乳酸结合羟基羧酸受体145并激活基质金属蛋白酶-2激活TGF-β信号外，AARS2介导的乳酸化是乳酸信号传导的另一种方式。鉴于线粒体蛋白乳酸化反应细胞内缺氧，其意义至少应该包括防止缺氧的弊端，如当前研究中观察到的ROS过量产生和ROS损伤。由于高乳酸和缺氧反应发生在运动和胚胎发育等生理过程以及癌症等病理过程中，线粒体蛋白乳酸化具有更多的生理或病理意义。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41422-023-00864-6

https://www.nature.com/articles/s41422-023-00909-w