引言
前列腺癌(Prostatic Cancer,PCa)發(fā)病率居全球男性惡性腫瘤D二位,僅在2020年就有大約140萬例病例,連股神巴菲特也難逃前列腺癌的魔爪。前列腺癌的病因及發(fā)病機(jī)制十分復(fù)雜,其確切病因尚不明確。隨著社會(huì)老齡化、人口城市化,其發(fā)病率快速增長,前列腺癌正日益成為嚴(yán)重威脅我國男性健康的疾病。
前列腺癌研究為什么要關(guān)注線粒體?
前列腺癌發(fā)病機(jī)制復(fù)雜,能量代謝的重組和線粒體的適應(yīng)被認(rèn)為會(huì)影響前列腺癌的發(fā)生和發(fā)展。線粒體是細(xì)胞生命活動(dòng)的能量工廠,是幾乎所有直核生物都存在的一種細(xì)胞器。它的主要功能是進(jìn)行氧化磷酸化(OXPHOS)合成ATP,是糖類、脂肪和氨基酸等物質(zhì)的Z終氧化釋放能量的場所,對(duì)維持生物體正常生理功能至關(guān)重要:線粒體除了作為細(xì)胞內(nèi)能量生成的關(guān)鍵細(xì)胞器,還參與細(xì)胞凋亡、脂質(zhì)代謝、自由基產(chǎn)生等代謝過程。已有研究表明,線粒體DNA突變在前列腺癌中起重要作電、線粒體DNA突變將直接引發(fā)線粒體功能障礙,導(dǎo)致線粒體ROS產(chǎn)生增加和氧化還原再平衡,刺激癌細(xì)胞的增殖和侵襲,但其具體的分子機(jī)制并不清楚,因此,深入探討線粒體在前列腺癌發(fā)生發(fā)展過程中的分子作用機(jī)制,將為前列腺癌新的藥物靶點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)提供重要理論依據(jù)。
應(yīng)用案例:Nature子刊 | 前列腺癌中的OXPHOS重塑涉及mtDNA突變和琥珀酸氧化增加
摘要:奧地利因斯布魯克醫(yī)科大學(xué)遺傳與藥理學(xué)系遺傳流行病學(xué)研究所BerndSchöpf教授于2020年在《Nature Communications》發(fā)表《OXPHOS remodeling in high-qrade prostate cancer involves mtDNA mutations and increased succinate oxidation》,文獻(xiàn)報(bào)道了良性惡性人類前列腺組織樣本中,線粒體呼吸、DNA變異和基因表達(dá)的關(guān)聯(lián)研究。研究發(fā)現(xiàn),前列腺癌組織中NADH途徑底物谷氨酸和蘋果酸鹽的呼吸能力降低,代謝顯著向更高的琥珀酸鹽氧化代謝轉(zhuǎn)變,尤其是在前列腺癌中更為明顯。潛在有害的線粒體DNA突變的負(fù)荷在腫瘤中較高,并且與不利的風(fēng)險(xiǎn)因素相關(guān)。編碼線粒體復(fù)合體|(CI)基因的高水平有害變異與NADH途徑氧化能力降低70%和琥珀酸鹽氧化增強(qiáng)(復(fù)合體途徑)補(bǔ)償相關(guān),這些結(jié)果表明琥珀酸鹽作為“前列腺癌代謝物”的重要性。鑒于這些發(fā)現(xiàn),琥珀酸鹽和復(fù)合體II(CII)有希望成為新型的抗前列腺癌的藥物靶點(diǎn)。
結(jié)果:從50例前列腺癌根治術(shù)標(biāo)本中每例提取成對(duì)良性/惡性組織穿刺針活檢。一小部分提取的組織被固定并用于組織學(xué)染色(粉色箭頭)并確認(rèn)組織特性,其余的立即用于O2k檢測(藍(lán)色箭頭)、NGSmtDNA圖譜(橙色箭頭)和mtDNA拷貝數(shù)測定(灰色箭頭)。O2k評(píng)估每個(gè)前列腺標(biāo)本的成對(duì)良性/惡性組織活檢的OXPHOS水平,并且用H202進(jìn)行短期處理以模擬氧化應(yīng)激。與 PCa組織相比,良性組織顯示出顯著更高的NADH通路OXPHOS容量(電子通過CI進(jìn)入 Q),在進(jìn)一步添加琥珀酸鹽(S)后,沒有觀察到OXPHOS(NSP)和ET(NSE)呼吸能力的差異,表明通過琥珀酸鹽途徑的會(huì)將電子轉(zhuǎn)移增加來補(bǔ)償NADH途徑缺陷(電子通過CII進(jìn)入 Q)。與相應(yīng)的良性樣本相比,含線粒體DNA突變的前列腺癌惡性組織樣本顯示非常低的 NADH通路容量(P&G&M;內(nèi)酮酸&谷氨酸&蘋果酸),其NADH通路容量降低了>70%,對(duì)這些突變的結(jié)構(gòu)分析顯示,氨基酸的變異導(dǎo)致了對(duì)復(fù)合體的潛在有害影響,并證明了存在的因果關(guān)系。
參考文獻(xiàn):Schöpf,B.,Weissensteiner,H.,Schäfer,G.et al.OXPHOS remodeling in high-grade prostate cancer involves mtDNA mutations and increased succinate oxidation. Nat Commun 11,1487(2020).
線粒體氧化磷酸化功能評(píng)估為前列腺癌研究帶來的重要參考
線粒體氧化磷酸化(OXPHOS)系統(tǒng)是線粒體能量代謝的中心,是真核細(xì)胞能量產(chǎn)生的關(guān)鍵。支持OXPHOS系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的是電子傳遞鏈(ETC)的上五種酶復(fù)合體:復(fù)合體I、復(fù)合體II、復(fù)合體III和復(fù)合體IV,由復(fù)合體I-IV生成的質(zhì)子梯度隨后被復(fù)合體V所利用,催化ADP磷酸化生成ATP。OXPHOS系統(tǒng)中任何一個(gè)復(fù)合體發(fā)生異;蚬δ苷系K,都會(huì)ji易導(dǎo)致線粒體發(fā)生功能障礙,因此通過檢測OXPHOS系統(tǒng)各復(fù)合體功能活性來評(píng)估線粒體氧化磷酸化功能,將為深入研究前列腺癌發(fā)病機(jī)制帶來重要參考,但如何快速檢測分析OXPHOS各復(fù)合體的功能活性,是評(píng)估線粒體氧化磷酸化功能的技術(shù)難點(diǎn)。目前對(duì)OXPHOS各復(fù)合體的功能活性的檢測,主要是采用比色法,操作時(shí)間長,步驟多,只能對(duì)單個(gè)復(fù)合體功能活性進(jìn)行終點(diǎn)法的檢測分析,無法一次性實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測分析同一樣本各復(fù)合體功能活性。
Oroboros O2k擁有的一次性同時(shí)快速檢測線粒體氧化磷酸化各復(fù)合體的功能活性的技術(shù)特點(diǎn):
Oroboros O2k提供了一種獨(dú)特的SUIT(底物-解偶聯(lián)劑-抑制劑-滴定,Substrate-uncoupler-inhibitor-titration)檢測方案來檢測線粒體氧化磷酸化各復(fù)合體的功能活性。Oroboros O2k沒有加藥孔的限制,也沒有試劑盒的限制,可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)靈活的無限制的添加底物、抑制劑、解偶聯(lián)劑及不同濃度的藥物滴定,實(shí)現(xiàn)同一個(gè)樣本一次性快速進(jìn)行復(fù)合體I、復(fù)合體II、復(fù)合體IV、z大呼吸率、ATP合酶的功能活性檢測,深度挖掘線粒體能量代謝信息,快速評(píng)估和表征線粒體氧化磷酸化各復(fù)合體功能活性,從而助力前列腺癌研究。
奧地利OROBOROS O2K光電聯(lián)合多維度能量代謝檢測整體解決方案
1、光電聯(lián)合多參數(shù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測技術(shù):
電化學(xué)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測模塊:pO2(高分辨率極譜氧電極傳感器,耗氧率檢測分辨率為±1 pmol O₂∙s-¹∙mL-¹)、pH、H2O2、TPP+(測量線粒體膜電位)、H2S、NO、質(zhì)體醌;熒光實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測模塊:MMP(測量線粒體膜電位)、ATP、Ca2+、ROS、NADH;
2、原代細(xì)胞、原代組織能量代謝快速檢測技術(shù):
無需過夜培養(yǎng)、樣品快速檢測,更加客觀反應(yīng)樣品更接近體內(nèi)的能量代謝水平;
3、多維度能量代謝分析平臺(tái):
適應(yīng)線粒體、細(xì)胞、組織塊、活檢樣品等不同層次不同水平的樣本檢測。