撰文： M. B.

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亮点：

1 、 ccRCC 患者线粒体的呼吸功能低下。

2 、转移性 ccRCC 患者的 TCA 循环高于原发性 ccRCC 。

3 、 ETC 复合物 I 支持 RCC 肿瘤转移。

近日，美国得克萨斯大学西南医学中心的 Ralph DeBerardinis 教授 团队在《 Nature 》杂志上发表了名为“ Mitochondrial complex I promotes kidney cancermetastasis ”的文章。

线粒体异常是肾细胞癌（ RCC ）的共同特征，但不同 RCC 线粒体异常的潜在机制不同。大约 90% 的肿瘤编码肿瘤抑制因子（ VHL ）的基因失活，导致 HIF 靶基因慢性激活，进而促进了糖酵解，抑制了葡萄糖氧化。此外，三羧酸循环（ TCA 循环）代谢酶富马酸水合酶（ FH ）和琥珀酸脱氢酶（ SDH ）的致病性缺陷也是一些肾癌的始动事件。 这些数据表明 RCC 在发生和生长过程中会选择性的减少线粒体代谢。

尽管 RCC 的线粒体功能障碍具有遗传学证据，但这些异常如何影响人类 RCC 的营养代谢尚不清楚。肾透明细胞癌（ ccRCC ）是最常见的 RCC 形式。作者先前报道了 5 个 ccRCC 患者的葡萄糖氧化减少。 在本文，作者进一步研究了为什么会发生这种表型，它是否是原发性肾脏肿瘤的特征，以及在 ccRCC 进展为转移性疾病过程中的代谢特性演变。

1 、 肾癌患者的 TCA 循环比率降低

接受部分或根治性肾切除术的肾癌患者在术中通过外周静脉置管给予 ¹³ C 标记的营养素，在输注开始后 2-3 h 进行手术切除。使用这种方法，作者研究了 59 例输注 [U- ¹³C] 葡萄糖的 RCC 患者的代谢流，包括 37 例 ccRCC 患者。 结果发现 ccRCC 样本中柠檬酸与丙酮酸以及其他 TCA 循环中间体的总标记比率均低于癌旁肾脏组织，表明 ccRCC 患者的葡萄糖进入 TCA 循环的比率降低。

作者还对 6 例 [U- ¹³C] 葡萄糖标记的 ccRCC 患者的肾脏组织进行包埋切片。结果表明柠檬酸和苹果酸的标记抑制程度与在患者中观察到的相似。 这些数据表明， [U- ¹³C] 葡萄糖的低 TCA 循环标记是 ccRCC 肿瘤的特性。

2 、肾癌患者线粒体的呼吸功能低下

乙酸盐可以转化为乙酰 CoA （ TCA 循环的原料）。作者将 [1,2- ¹³ C] 乙酸盐输注给 ccRCC 患者，发现肿瘤中 TCA 循环代谢物的总标记减少。 对 TCA 循环周转进行检测，发现肿瘤线粒体中 TCA 循环降低。 谷氨酸 / 谷氨酰胺可与 α- 酮戊二酸（ α-KG ， TCA 循环中间代谢物）交换。利用质谱检测，作者发现肿瘤中大多数谷氨酸来自 TCA 循环的第一个周转，意味着需要多个周转的模式被抑制。再输注 [U- ¹³ C] 谷氨酰胺，作者发现肿瘤中柠檬酸和苹果酸的总标记高于癌旁肾脏组织。 因此， ccRCC 患者的营养物质是谷氨酰胺。

研究报道 RCC 的线粒体 DNA （ mtDNA ）含量下降，电子传递链（ ETC ）表达减少。作者从手术切除的健康肾脏和肿瘤组织中分离线粒体，立即检测其耗氧量率（ OCR ），评估其 ADP 刺激（状态 III ）和 ADP 未刺激（状态 IV ）的呼吸速率。结果表明对来自健康肾脏和 ccRCC 的线粒体提供复合物 I 时，均具有正常的呼吸速率。 然而，无论提供复合物 I 、 II 还是 IV ， ccRCC 线粒体的状态 III 和状态 IV 的 OCR 均低于健康肾脏线粒体。

3 、转移性肾癌患者的 TCA 循环增加

早期 ccRCC 患者的 5 年内生存率接近 95% ，而转移性 ccRCC 患者的 5 年内生存率低于 15% 。为了直接检测转移性 ccRCC 的代谢，作者将 [U- ¹³C] 葡萄糖输注给接受转移瘤切除术的患者。发现转移性肿瘤的柠檬酸标记高于原发性 ccRCC 。作者又将 [1,2- ¹³ C] 乙酸盐输注给患者，发现与原发性 ccRCC 相比，转移性肿瘤的柠檬酸标记升高。 表明葡萄糖和乙酸盐在转移性 ccRCC 中对 TCA 循环的贡献大于原发性 ccRCC 。

4 、肾癌的转移需要复合物 I

为了检测 TCA 循环（发生于线粒体）是否支持肿瘤转移，作者使用了体细胞镶嵌基因工程 RCC 小鼠模型，这种模型能够使肾脏出现肿瘤并自发转移到肺，且转移性肿瘤表达 TdTomato 。 作者给予小鼠 ETC 复合物 I 抑制剂（ IACS-010759 ），发现在肾脏中 IACS-010759 对肿瘤的生长没有影响，然而肿瘤转移受到显著抑制。

作者接下来使用了一对来源于肾脏肿瘤的细胞系，一种经常发生转移（ Methigh ），另一种不转移（ Metlow ）。作者发现 Methigh 细胞比 Metlow 细胞呼吸更快。全基因组 CRISPR 筛选发现 Methigh 和 Metlow 细胞有不同的依赖性， 其中 NADH 脱氢酶（ ETC 复合物 I ）是 Methigh 细胞必需的。 为了评估体内肿瘤转移对复合物 I 的需求，作者将 Methigh 和 Metlow 细胞分别植入肾脏，并用 IACS-010759 处理， 发现 IACS-010759 使 Methigh 肿瘤的转移速率降低到与 Metlow 肿瘤相似的水平。这些数据表明， ETC 复合物 I 支持 RCC 肿瘤转移。

作者进一步分析了癌症基因图谱 ccRCC 数据集（ KIRC ）中氧化磷酸化（ OxPhos ）的基因表达。发现高级别 3 级和 4 级肿瘤的 OxPhos 评分高于低级别 1 级和 2 级肿瘤。作者推断 OxPhos 基因表达的差异可能预示着患者生存期缩短。 结果确实如此，在高风险患者中， OxPhos 基因表达的增加可能预示着患者死亡概率增加。

总之，作者证明 [U- ¹³C] 葡萄糖的低 TCA 循环标记是 ccRCC 肿瘤的内在特性。然而与原发性 ccRCC 相比，转移性 ccRCC 中葡萄糖对 TCA 循环的贡献更高。 这意味着在患者的 ccRCC 进展期间线粒体的功能发生演变， ETC 复合物 I 支持肿瘤的转移。 此外，对肾脏中的人类 ccRCC 的分子特征进行分析， 表明线粒体代谢能力较高的肿瘤可能导致患者早期死亡，预示着患者死亡概率增加。

教授介绍

RalphDeBerardinis教授 ， 得克萨斯大学西南医学中心儿科遗传学和代谢部门负责人，遗传和代谢性疾病项目负责人。 Ralph DeBerardinis 教授实验室对在人类疾病中代谢状态改变的作用感兴趣。旨在表征代谢紊乱如何损害组织功能，以此开发监测体内代谢的方法，并设计恢复正常代谢和改善健康的疗法。 Ralph DeBerardinis 教授实验室使用代谢组学和基因组学来识别新的疾病基因，并加深人们对新陈代谢在人类健康中的作用的理解。 Ralph DeBerardinis 教授实验室的研究与医学遗传学、肿瘤学和放射学的临床活动紧密结合，为检查研究结果在患者中的相关性提供了机会。

参考文献

Bezwada D et al. “Mitochondrial complex I promotes kidney cancer metastasis”Nature. Aug 14 2024. doi: 10.1038/s41586-024-07812-3.