LONP1在常見惡性腫瘤中表達和作用的研究進展

李金晶 黃小圓 陳 菁 葛紅山

線粒體穩(wěn)態(tài)是維持細胞正常生理活動的關(guān)鍵，該穩(wěn)態(tài)主要通過對線粒體相關(guān)的溶酶體，線粒體自噬，蛋白酶等物質(zhì)的調(diào)節(jié)實現(xiàn)。本課題組對維持線粒體穩(wěn)態(tài)的各類蛋白在精子、卵細胞、瘤細胞中的作用有一定的研究。而線粒體離子肽酶1(lon peptidase 1, mitochondrial，LONP1)是控制線粒體質(zhì)量的主要蛋白之一，是位于19號染色體上的LONP1基因編碼的蛋白質(zhì)，由963個氨基酸組成，相對分子質(zhì)量為106kDa，經(jīng)加工成熟后成為線粒體基質(zhì)蛋白，相對分子質(zhì)量為100kDa[1]。LONP1具有識別、水解線粒體中已經(jīng)損傷或氧化的蛋白質(zhì)，還具有分子伴侶、維持線粒體DNA穩(wěn)定等作用[2]。LONP1在人體器官和組織中廣泛表達，在肝臟、腦、心臟、骨骼肌、胎盤等代謝旺盛的組織中表達較高，在肺、腎臟、胰腺等器官中的也有較低的表達。

線粒體功能障礙是癌癥生物學(xué)的標(biāo)志性現(xiàn)象，該現(xiàn)象可能是腫瘤組織中線粒體的能量代謝從有氧呼吸向需氧量更少的糖酵解過程轉(zhuǎn)化的原因之一[3]。 Gillies等研究發(fā)現(xiàn)LONP1在一些進展性的腫瘤中都有高表達，并且主要存在于以缺氧和營養(yǎng)供應(yīng)不足為特征的廣泛缺氧區(qū)內(nèi)，故而推測LONP1可能是通過影響腫瘤細胞中線粒體代謝從而影響腫瘤的增殖、侵襲、遷移等生物學(xué)行為[3，4]。LONP1對線粒體穩(wěn)態(tài)的維持至關(guān)重要，近年來有大量研究報道了LONP1在神經(jīng)性障礙、心臟疾病、運動系統(tǒng)疾病、衰老等方面的作用，在惡性腫瘤中的研究也日益增多，且在不同腫瘤中，LONP1的作用也有不同，故本文就目前LONP1在結(jié)腸癌、黑色素瘤、胃癌、宮頸癌等常見惡性腫瘤中的研究進行綜述[5～8]。

一、LONP1在結(jié)腸癌中的表達和作用

Gibellini等[9]研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)腸癌RKO細胞中LONP1的表達量是正常結(jié)腸上皮細胞的15倍。Jorissen等[10]通過對64例LONP1高表達(≥25%)和LONP1低表達(<25%)的結(jié)腸癌患者進行臨床預(yù)后追蹤，并繪制卡普蘭-生存曲線后發(fā)現(xiàn)，LONP1高表達的結(jié)腸癌患者的生存率較低。

Quiros等[11]檢測了多種人結(jié)腸癌細胞系(HCT116、HCT15、HT29、 SW480、SW620、DLD-1、RKO)和結(jié)腸上皮細胞(FHC細胞系)以及正常的結(jié)腸組織、結(jié)腸腺瘤組織、結(jié)腸癌組織中的LONP1水平，發(fā)現(xiàn)LONP1在所有的結(jié)腸癌細胞中的表達均高于正常結(jié)腸上皮細胞，結(jié)腸腺瘤組織、結(jié)腸癌組織中的表達亦高于正常組織，且在結(jié)腸癌中尤為明顯。進一步構(gòu)建LONP1缺失的小鼠模型，發(fā)現(xiàn)LONP1缺失的純合子(LONP1-/-)在體內(nèi)和體外胚胎培養(yǎng)中均不能存活，雜合子(基因型為LONP1+/-)小鼠則能夠跟野生型小鼠一樣正常生長發(fā)育生殖，這使得利用LONP1雜合子小鼠研究癌癥易感性成為可能。用甲烷(AOM)和右旋糖硫酸鹽誘導(dǎo)野生型小鼠和雜合小鼠罹患結(jié)腸癌，發(fā)現(xiàn)野生型小鼠結(jié)腸癌罹患率為100%，而雜合子小鼠結(jié)腸癌的罹患率是72%，與雜合小鼠相比，野生型小鼠的結(jié)腸長度也較短，說明單倍劑量不足的LONP1能夠抑制腫瘤的形成。用MTT法檢測發(fā)現(xiàn)下調(diào)LONP1可使結(jié)腸癌細胞增殖率明顯下降。在裸鼠皮下接種LONP1下調(diào)、LONP1上調(diào)、以及普通的HCT16細胞，構(gòu)建異位結(jié)腸癌模型，發(fā)現(xiàn)LONP1下調(diào)組小鼠的腫瘤生長速度較對照組明顯減慢，上調(diào)組裸鼠的腫瘤生長明顯加快，表明LONP1可以促進結(jié)腸癌細胞的增殖和腫瘤的生長。以上研究均提示LONP1可能在結(jié)腸癌的發(fā)生、發(fā)展中起到至關(guān)重要的作用。

金冬林等[12]通過免疫組織化學(xué)技術(shù)檢測90例結(jié)腸癌組織和90例癌旁組織中LONP1的表達情況，發(fā)現(xiàn)LONP1在結(jié)腸癌組織中的表達陽性率達100%，而在癌旁組織中僅為6.7%。進一步分析免疫組化結(jié)果，發(fā)現(xiàn)LONP1 的表達與腫瘤浸潤深度、TNM 分期、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移相關(guān)。隨訪90 例患者，用Kaplan-Meier法進行生存期單因素分析，進行Log-rank檢驗后發(fā)現(xiàn)癌組織中 LONP1 低表達者生存率(56.188%)高于 LONP1 高表達者(42.878%)，表明LONP1 蛋白表達水平影響結(jié)腸癌的分化程度和患者預(yù)后。

二、LONP1在黑色素瘤中的表達和作用

Talantovl等通過檢測人黑色素瘤、初始階段痣，以及正常皮膚組織內(nèi)的LONP1水平發(fā)現(xiàn)，黑色素瘤內(nèi)的LONP1水平較普通痣和正常皮膚組織都明顯增高[10]。臨床結(jié)果研究也顯示黑色素瘤的預(yù)后復(fù)發(fā)率與LONP1的水平呈正相關(guān)。Quiros等[11]發(fā)現(xiàn)下調(diào)小鼠B16F10 黑色素瘤細胞LONP1水平可使該細胞增殖率明顯降低。用高轉(zhuǎn)移性的黑色素瘤細胞進行小鼠的實驗性肺轉(zhuǎn)移試驗， LONP1下調(diào)組的腫瘤轉(zhuǎn)移數(shù)量較對照組降低了近10倍，相反LONP1過表達組的轉(zhuǎn)移數(shù)量則明顯增加。說明LONP1對黑色素瘤細胞的增殖和轉(zhuǎn)移有十分重要的作用。另外，LONP1下調(diào)和上調(diào)組黑色素瘤細胞中的ATP產(chǎn)生量、基礎(chǔ)耗氧量均降低，而葡萄糖消耗量和乳酸產(chǎn)生量增加，表明上調(diào)組和下調(diào)組均存在有氧呼吸作用的減弱以及糖酵解活動的增加，但是下調(diào)組和上調(diào)組線粒體復(fù)合物增加的種類和數(shù)量各有不同，推測代謝的變化是通過不同機制發(fā)生的。Quiros等[11]研究認為，LONP1下調(diào)組線粒體復(fù)合物的變化是由于線粒體功能發(fā)生紊亂，而上調(diào)組的各種線粒體復(fù)合物的變化是一種癌細胞的自我保護行為。進一步觀察其他的線粒體參數(shù)發(fā)現(xiàn)，LONP1下調(diào)組黑色素瘤細胞的線粒體膜電位和線粒體DNA的容量均減少，而線粒體碎片和ROS的產(chǎn)量增加，表明LONP1的下調(diào)確實可使癌細胞線粒體功能發(fā)生紊亂。LONP1下調(diào)組中的抗凋亡蛋白Bcl-2的水平較上調(diào)組明顯降低，LONP1上調(diào)組中衰老細胞的陽性率較對照組明顯降低，表明LONP1可抑制細胞凋亡和衰老。

Bogunovic等[13]對27例LONP1高表達(≥25%)的黑色素瘤患者和LONP1低表達(<25%)的患者進行臨床預(yù)后追蹤，繪制卡普蘭-生存曲線發(fā)現(xiàn)，LONP1高水平的黑色素瘤患者的生存率較低，生存時間更短。

三、LONP1在胃癌中的表達和作用

Luo等[14]檢測了慢性胃炎細胞和胃腺癌細胞的線粒體相關(guān)蛋白及其基因的變化，發(fā)現(xiàn)在慢性胃炎細胞和胃腺癌細胞中LONP1的表達水平均明顯高于正常組，增加量分別約為9.9倍和6.6倍。

幽門螺桿菌(helicobacterpylori，Hp)是胃癌發(fā)生的高危因素[15]。研究顯示Hp可增加胃癌細胞內(nèi)ATP和線粒體DNA的水平，高水平的Hp感染可損傷線粒體的呼吸作用，包括細胞氧耗量、電子傳遞等[16]。而正常水平的LONP1可以在各種壓力下修復(fù)線粒體功能，因此學(xué)者認為Hp介導(dǎo)的LONP1水平的增加可能是Hp誘導(dǎo)胃癌發(fā)生的原因之一[11,17]。分別調(diào)節(jié)感染和未感染Hp的胃癌細胞中LONP1的表達水平發(fā)現(xiàn)，下調(diào)未感染Hp的胃癌細胞中LONP1的表達可使細胞的耗氧量下降，而下調(diào)感染Hp的胃癌細胞中LONP1的表達可使細胞的基礎(chǔ)耗氧量及最大耗氧量均明顯下降，ATP及線粒體DNA水平亦明顯降低[14]。物質(zhì)代謝方式從氧化磷酸化轉(zhuǎn)向糖酵解是腫瘤細胞能量代謝的一大特點[18]。研究表明不同處理的胃癌細胞糖酵解相關(guān)物質(zhì)的表達量不同，經(jīng)Hp感染且LONP1上調(diào)的胃癌細胞中的葡萄糖滲入量和乳酸產(chǎn)生量的增加最為明顯，在僅感染Hp的胃癌細胞也有明顯增加，而Hp感染且LONP1下調(diào)的胃癌細胞的這兩個指標(biāo)則明顯下降[14]。以上結(jié)果表明LONP1對Hp相關(guān)的胃癌細胞的線粒體活動有十分重要的作用。用低感染復(fù)數(shù)(MOI=50)Hp感染LONP1下調(diào)的胃癌細胞可使生長和增殖率明顯降低，而未經(jīng)Hp感染，僅上調(diào)LONP1水平就可使胃癌細胞的生長和增殖率明顯增加[14]。說明LONP1在Hp感染所致的胃癌細胞的過度增殖中有重要作用。

四、LONP1與宮頸癌等其他惡性腫瘤

Nie等[19]檢測了30例宮頸癌組織和10例正常宮頸組織的LONP1水平，用ImagePro Plus軟件分析得出兩組的IOD值分別為4.47±2.07和7.19±2.52，差異有統(tǒng)計學(xué)意義。檢測16例新鮮的宮頸癌組織及相應(yīng)癌旁組織的LONP1水平，發(fā)現(xiàn)宮頸癌組織的LONP1水平明顯高于對應(yīng)的癌旁組織。進一步觀察LONP1下調(diào)的宮頸癌HeLa細胞的生物學(xué)行為發(fā)現(xiàn)，下調(diào)LONP1可使宮頸癌HeLa細胞的細胞活性和生長速率均明顯下降。細胞克隆實驗也顯示LONP1下調(diào)組細胞增殖速率顯著低于未下調(diào)組，且克隆團的大小也較未下調(diào)組小得多。Bayot等[20]檢測了LONP1下調(diào)后的宮頸癌HeLa細胞中的ROS水平，發(fā)現(xiàn)LONP1下調(diào)使宮頸癌HeLa細胞中的ROS產(chǎn)生量升高，ROS相關(guān)的羰基化蛋白也隨之增加，研究者認為LONP1可能通過維持宮頸癌細胞內(nèi)ROS的穩(wěn)定來維持線粒體功能的穩(wěn)定。

另外，研究表明LONP1與膀胱癌、淋巴癌、肺癌等惡性腫瘤的發(fā)生也密切相關(guān)。例如，Liu等[21]研究發(fā)現(xiàn)，多種膀胱癌細胞系(ScaBER、UM-UC-3、SW780、J82、T24)中LONP1的表達水平均較正常的膀胱細胞明顯增加。免疫組織化學(xué)染色法結(jié)果顯示，膀胱癌組織中LONP1的表達顯著高于癌旁組織，且其表達水平與膀胱癌的分化程度相關(guān)，分化程度越低表達量越高，LONP1的表達還與膀胱癌原發(fā)腫瘤、組織學(xué)類型及TNM的分期相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)下調(diào)膀胱癌細胞內(nèi)LONP1水平可使細胞增殖力和ROS水平明顯降低，故Liu等[21]推測LONP1下調(diào)后細胞增殖受到抑制可能是由于ROS降低所致。流式細胞儀檢測表明，下調(diào)LONP1可使膀胱癌細胞凋亡明顯增加，而這一現(xiàn)象與蛋白質(zhì)印跡法(Western blot,WB)檢測的凋亡相關(guān)蛋白PARP和caspase-3的增加相一致。在淋巴瘤中，Bernstein等[22]研究發(fā)現(xiàn)淋巴瘤活檢組織、淋巴瘤細胞系、大部切除的脾組織(來自淋巴瘤患者)、惡性胸腔積液中的惡性彌漫大B細胞淋巴瘤細胞中LONP1的表達都較正常外周淋巴細胞、正常淋巴組織明顯增高。在淋巴癌granta細胞中加入LONP1的抑制劑，用電子顯微鏡分析細胞內(nèi)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)胞內(nèi)有含明顯致密線的線粒體包涵體(是凋亡相關(guān)蛋白被激活的線粒體表現(xiàn))，LONP1下調(diào)后淋巴瘤細胞的死亡率顯著增高，增值速率明顯降低。說明LONP1對于淋巴瘤細胞的凋亡、增殖、生存有十分重要的作用。 obtusilactone A 和(-)-sesamin是強有力的LONP1的抑制劑，Wang等[23]研究發(fā)現(xiàn)，obtusilactone A 和(-)-sesamin可使肺癌NSCLC 細胞內(nèi)LONP1水平、線粒體順烏頭酸水平下降，細胞的增殖和生長受到抑制，凋亡相關(guān)蛋白caspase-3水平上升，細胞死亡率增加，因此他們認為LONP1蛋白的增加可能是肺癌發(fā)生、發(fā)展的重要一步。

五、展 望

綜上所述，LONP1在多種常見惡性腫瘤中表達增加，改變LONP1的表達量能引起惡性腫瘤生物學(xué)行為、線粒體功能的變化。惡性腫瘤患者LONP1的表達量與其預(yù)后和生存時間相關(guān)。LONP1抑制劑也被證明有顯著的抗腫瘤作用。除了前文提到的LONP1抑制劑obtusilactone A 和(-)-sesamin之外，三萜類化合物CDDO及其衍生物CDDO-ME是LONP1抑制劑領(lǐng)域的研究熱點。研究表明CDDO可以通過沉默LONP1而后介導(dǎo)線粒體蛋白聚集，從而誘導(dǎo)淋巴瘤細胞死亡，這一現(xiàn)象為LONP1作為淋巴瘤治療的靶點提供了證據(jù)[22]。Gibellini等[2]用CDDO和 CDDO-ME作用于RKO細胞，發(fā)現(xiàn)細胞凋亡明顯增加，而在正常細胞或者未轉(zhuǎn)化的細胞中加入CDDO和CDDO-ME則沒有此現(xiàn)象，這一結(jié)果為CDDO和CDDO-ME成為良好的抗癌藥物增加了優(yōu)勢。雖然LONP1抑制劑在臨床的應(yīng)用尚需進一步研究，LONP1可否作為腫瘤早期篩查的標(biāo)志物也有待進一步驗證，但相信隨著對LONP1蛋白及其信號通路調(diào)控機制研究的深入，將為惡性腫瘤的診斷和治療提供新思路。