《Cancer Letters》：Mitochondrial reverse electron transport regulates glioma stemness through Sirt3-HIF1α-SOX2 signaling
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胶质母细胞瘤干细胞（GSCs）通过线粒体逆向电子传递（RET）维持SOX2转录因子表达，抑制RET可上调NAD+/NADH比值激活SIRT3去乙酰化酶，降解HIF-1α并抑制SOX2，在小鼠和果蝇模型中均显著抑制肿瘤生长并延长生存。
作者：Tejinder Pal Khaket、Suman Rimal、Vishal Chavda、Bingwei Lu
单位：斯坦福大学医学院病理学系、吴蔡神经科学研究所，美国加利福尼亚州斯坦福市，邮编94305
摘要
多形性胶质母细胞瘤（GBM）是一种具有高度复发性和对现有疗法抗性的侵袭性原发性脑肿瘤，其主要致病因素为胶质母细胞瘤干细胞（GSCs）。尽管线粒体功能障碍已被证实与GBM有关，但维持GSCs存活的具体线粒体机制仍不明确。本研究发现，与分化型胶质瘤细胞相比，GSCs中线粒体逆电子转运（RET）这一代谢过程更为活跃。通过药物抑制RET可以显著抑制GSCs的球形形成，其机制在于下调与干细胞特性相关的转录因子SOX2的表达。RET抑制会提高NAD+/NADH比率，从而激活NAD+依赖性的线粒体去乙酰化酶SIRT3；SIRT3的活性增强会促进HIF-1α的蛋白酶体降解，进而抑制SOX2的转录表达。重要的是，在原位GBM小鼠模型中，RET抑制显著延长了小鼠的生存期，并在Notch驱动的果蝇脑肿瘤模型中抑制了肿瘤表型，证明了这一机制在体内的有效性。这些发现表明线粒体RET是维持GSCs的关键调节因子，因此针对RET的疗法具有治疗GBM的潜力。
引言
脑肿瘤是最具破坏性的癌症类型之一，其中多形性胶质母细胞瘤（GBM）是最具侵袭性和致命性的类型[1]。GBM的特征是一小部分具有干细胞特性的细胞（GSCs），这些细胞导致治疗抵抗性和肿瘤复发[2]。这些细胞的复杂性和适应性给开发有效疗法带来了巨大挑战，使得GBM成为最难治疗的癌症之一。研究GSCs的自我更新和分化机制对于推进治疗策略和改善患者预后至关重要。
线粒体在维持GSCs的干性、静息状态和分化过程中起着关键作用[4,5]。此外，线粒体功能障碍在介导GSCs对治疗的抵抗性方面也起着重要作用[4]。然而，维持GSCs存活的具体线粒体过程尚未完全阐明。最近的研究表明，线粒体逆电子转运（RET）这一发生在线粒体复合物I上的过程在胶质瘤、与衰老相关的疾病以及神经系统疾病中均上调[6,7,8]。RET在线粒体膜电位和CoQH2水平较高时发生，导致ROS生成增加和NAD+向NADH的转化，从而降低NAD+/NADH比率[9,10,11]。然而，RET如何维持GSCs干性的具体机制仍有待揭示。
SOX2转录因子被认为是影响GSCs肿瘤发生能力的关键因素[12,13]，其过表达与肿瘤发生性和抗性增强相关[14]。在肿瘤起始细胞（TICs）中的实验表明，SOX2敲低可降低其增殖和自我更新能力[15,16]。此外，GSCs与正常神经干细胞在维持干性方面具有相似的机制[15,16]。临床研究表明，GBM样本中SOX2表达水平升高，这与患者预后不良相关[17,18,19]。SOX2活性对于维持干细胞身份至关重要，因为其敲低会显著抑制GSCs的自我更新和体内肿瘤形成能力[15,20]。SOX2通过将分化型GBM细胞重新编程为诱导型GSCs，发挥细胞可塑性的关键调节作用[22]，这突显了其在维持GSCs干性和推动GBM进展中的关键作用，使其成为有吸引力的治疗靶点。
本研究旨在探讨RET抑制对GSCs维持和分化的影响。我们首次证明RET可上调促进干性的转录因子SOX2，从而增强GSCs的球形形成能力。药物抑制RET可提高NAD+/NADH比率，激活NAD+依赖性的线粒体去乙酰化酶SIRT3，进而促进HIF-1α的蛋白酶体降解和SOX2的转录抑制。在原位GBM小鼠模型和Notch诱导的果蝇脑肿瘤模型中，RET抑制均显著延长了生存期。这些发现表明线粒体RET是维持GSCs的关键调节因子，为针对RET的GBM治疗策略提供了理论依据。
抗体列表
详见补充表S1。
质粒列表
详见补充表S2。
化学品列表
详见补充表S3。
PCR引物列表
详见补充表S4。
细胞及培养条件
LN299和HEK-293T细胞购自美国组织培养中心（ATCC），培养条件为含10% FBS、2 mM -谷氨酰胺、100 U/mL青霉素和100 μg/mL链霉素的DMEM培养基。
SU-GBM3691细胞系来源于斯坦福大学医学院根据机构审查委员会批准协议IRB 18672采集的新鲜切除的人类GBM样本。
SOX2表达和RET活性在GSCs中升高
在GSCs相关标记物中，SOX2尤为重要，因为它不仅是一个表型标记物，还是干性和自我更新过程的主要调节因子[3,16]。TCGA数据分析显示，SOX2在多种恶性肿瘤中过表达，其中GBM和低级别胶质瘤（LGG）中的表达水平最高。
讨论
GBM具有较差的预后和不断增加的发病率，是最常见的恶性脑肿瘤之一。尽管GSCs的起源仍存在争议，但它们赋予GBM干细胞特性并使其对传统治疗产生抗性。调控GSCs的多种信号通路进一步增加了研究这类癌干细胞的复杂性。GSCs的关键标记物包括CD133、CD44、CD15、SOX2、OCT-4和Nestin[44]。
作者贡献声明
Tejinder Pal Khaket：负责初稿撰写、验证、项目管理、方法设计、实验实施、数据分析、概念构建。
Suman Rimal：数据整理。
Vishal Chavda：概念构建。
Bingwei Lu：论文撰写与编辑、验证、监督、资金获取及概念构建。
利益冲突声明
Bingwei Lu是Cerepeut公司的联合创始人，并担任其科学顾问委员会成员。
致谢
我们感谢Bloomington果蝇资源中心提供的果蝇品系；斯坦福Sci3成像中心和PAN设施提供的支持；病理学系的M. Bogyo实验室提供的设备。特别感谢J. Gaunce在果蝇品系维护和技术支持方面的帮助，以及Lu实验室成员的讨论与合作。本研究得到了美国国立卫生研究院（NIH）的资助（项目编号：R37NS083417、R01NS084412、R01AG089752）。
