线粒体调控细胞凋亡的新方式
2019-06-04 20:49:17
部分杀伤(fractional killing)是肿瘤细胞对于化疗药物产生耐药性的主要原因，它们的表现主要为，相同基因型的细胞在完全相同的微环境中会发生不同的命运。一些非遗传的因素被认为与这种细胞异质性密切相关，比如细胞微环境中各种物质的变化，或者细胞内一些低频率的生物反应的随机发生等等【1-3】。
TRAIL（TNF-related apoptosis inducing ligand）能够与细胞膜上的DR4/DR5结合起始外源细胞凋亡通路，这曾经是研究人员期待的治疗肿瘤的一种潜在策略，因为大多数肿瘤细胞表面的DR4/DR5受体是高表达的。然而，研究发现，许多肿瘤细胞对于TRAIL具有非常高的耐药性，这严重制约了TRAIL临床治疗肿瘤的效果。
图1 线粒体调控细胞凋亡
线粒体在凋亡通路中居于中心位置，而且线粒体还能在整体上影响许多基因的表达【4-6】，如图1所示。在TRAIL诱导的外源凋亡通路中，caspase-8切割Bid最终导致线粒体外膜通透化(mitochondrialouter membrane permeabilisation, MOMP)被认为是凋亡加速的节点，而Bcl-2家族蛋白可以抑制Bax/Bak在线粒体膜上形成微孔，从而抑制细胞凋亡。
研究人员认为，线粒体在细胞和细胞不同命运(cell-to-cell variability, CCV)的发展中起着重要的作用。细胞在分裂时，细胞内部的线粒体很难平均分配到子细胞中，而线粒体作为能量产生的细胞器，其数量与细胞的基因合成活性以及凋亡都密切相关。研究人员推测，线粒体的数量是细胞间不同(CCV)的主要原因。
早在2018年1月26日，来自西班牙的Silvia Márquez-Jurado等人曾在Nature Communications上以Mitochondrial levels determine variability incell death by modulating apoptotic gene expression【7】为题刊文，在这篇文章中他们发现，线粒体的数量是细胞对于TRAIL敏感性的一种细胞标记。在HeLa细胞中，线粒体数量多的细胞在面对TRAIL处理时更倾向于死亡，进一步的研究发现，线粒体数量的多少影响了与凋亡相关蛋白质的表达。研究人员在这篇文章中运用数学知识建立了线粒体数量与细胞凋亡时间之间的数学模型，他们的模型揭示，线粒体数量少的细胞在走向凋亡之前将经历更长的时间，而线粒体的异质性是细胞面对TRAIL处理时产生不同命运的关键原因。这篇文章首次揭示了细胞分裂造成的细胞质不均匀在决定细胞耐药性方面的作用。
不过，来自美国西奈山伊坎医学院的Luís C. Santos等人虽然认同线粒体在CCV中的作用，但同样认为上述研究没有揭示线粒体影响CCV的更深层次的机制。他们于2019年3月21日，同样在期刊Nature Communication上以Mitochondrial origins of fractional controlin regulated cell death【8】为题刊文，对线粒体影响肿瘤细胞间不同命运以及TRAIL耐药性做了重新研究。
研究者选用了三种细胞系，Jurkat，MDA-MB-231以及HeLa。发现Jurkat和MDA-MB-231细胞系对于TRAIL处理比较敏感，尤其是Jurkat细胞系，而HeLa细胞对于TRAIL处理并不敏感。利用Hill模型计算得到的三种细胞系对于TRAIL的IC50值分别为3.81±0.26ng/mL、76.4±8.77ng/mL和超过300ng/mL。
接下来，研究者发现线粒体的数量和活细胞的体积相关，于是将研究方向从线粒体的数量转向了线粒体的密度。实验证明细胞之间的线粒体密度确实存在很大差异，另外，线粒体密度大的细胞倾向于承受更高浓度的TRAIL处理。为此，研究者引入线粒体密度这个参数，利用贝叶斯定理重新建立了细胞线粒体和不同细胞间不同命运的模型，研究者将次新系统简称为DEPICTIVE，即Determining Parameter Influence on Cell-to-cell variability Through the Inference of Variance Explained。
利用新系统，研究者发现线粒体密度确实是影响细胞间不同命运的因素之一，线粒体密度在Jurkat和MDA-MB-231细胞中分别负责了大约30%和2%的细胞命运的决定。更进一步的研究发现，Bax/Bak的浓度与线粒体密度相关，是CCV（cell-to-cellvariability）的直接原因，而在MDA-MB-231细胞系中，Bax/Bak微孔的形成更容易受到Bcl-2家族蛋白的抑制。联合利用Bcl-2蛋白抑制剂能够将线粒体密度影响TRAIL耐药性的细胞比率从2%提升到最高25%。不过，Bcl-2蛋白抑制剂对于HeLa细胞不起作用。
总之，本篇文章通过一系列实验和模型计算，发现线粒体密度是导致细胞与细胞间不同的主要原因，线粒体密度低的细胞将更容易在TRAIL处理中走向凋亡，这与Silvia Márquez-Jurado等人的研究结论有些不同，因为之前的研究是以线粒体数量为参数进行计算，而本篇论文则是以线粒体密度为参数进行计算。这两篇文章为我们认识肿瘤细胞的耐药性和异质性提供了新的方向，靶向线粒体在未来或许会成为肿瘤治疗的新方向。
https://doi.org/10.1038/s41467-019-09275-x
制版人：子阳
参考文献
1. Gligorijevic, B., Bergman, A. &Condeelis, J. Multiparametric classification links tumor microenvironments withtumor cell phenotype. PLoS Biol. 12, e1001995 (2014).
2. Mumenthaler, S. M. et al. The impact ofmicroenvironmental heterogeneity on the evolution of drug resistance in cancercells. Cancer Inform. 14, 19–31 (2015).
3. Battich, N., Stoeger, T. & Pelkmans, L.Control of tran variability in single mammalian cells.Cell 163,1596–1610 (2015).
4. Albeck, J. G. et al. Quantitative analysisof pathways controlling extrinsic apoptosis in single cells.Mol. Cell 30,11–25 (2008).
5. Goldstein, J. C., Waterhouse, N. J., Juin,P., Evan, G. I. & Green, D. R. The coordinate release of cytochrome cduring apoptosis is rapid, complete and kinetically invariant. Nat. Cell Biol.2, 156–162 (2000).
6. Guantes, R. et al. Global variability ingene expression and alternative splicing is modulated by mitochondrial content.Genome Res.25, 633–644 (2015).
7. Márquez-Jurado, S. et al. Mitochondriallevels determine variability in cell death by modulating apoptotic geneexpression. Nat. Commun. 9, 389 (2018).
8. Luís C. Santos. et al. Mitochondrial origins of fractional controlin regulated cell death. Nat. Commun. 10, 1313 (2019).
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