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Nature：线粒体的分工揭示了癌细胞如何在恶劣条件下生存
新的研究揭示了线粒体如何适应营养匮乏，为癌细胞的生存机制提供了新的见解。
在最近发表在《自然》杂志上的一项研究中，来自美国的研究人员研究了细胞如何在线粒体内分离相互竞争的代谢途径，即氧化磷酸化（OXPHOS）和脯氨酸和鸟氨酸的还原合成。
他们发现，线粒体融合和裂变通过产生两个特殊的线粒体亚群，使细胞能够平衡相互竞争的代谢需求：一个亚群含有P5CS（吡啶-5-羧酸合成酶），缺乏嵴和三磷酸腺苷（ATP）合成酶，另一个亚群则专门用于OXPHOS。
背景
哺乳动物细胞含有50到1000个线粒体，它们不断地进行融合和裂变，以维持其功能，消除缺陷，并适应细胞的需要。线粒体主要通过OXPHOS产生ATP，在制造细胞生长所需的基本分子方面也起着关键作用。当营养充足时，线粒体可以利用多余的资源来支持这些生物合成功能。然而，在营养匮乏的情况下，线粒体如何平衡其能量生产与合成细胞维持所需的关键分子的需要尚不清楚。
虽然OXPHOS和生物合成（如氨基酸和单碳代谢）的途径已经分别被广泛研究，但线粒体如何共同管理这些过程-特别是在生物能量和营养压力下-仍然知之甚少。由于理解这种平衡对于了解细胞生长和存活至关重要，本研究的研究人员研究了这些竞争过程如何在线粒体内平衡以满足细胞的代谢需求。
关于研究
研究人员使用STRING蛋白-蛋白相互作用（PPI）分析来识别基于功能作用的线粒体酶簇。小鼠胚胎成纤维细胞（mef）在葡萄糖缺乏或半乳糖培养基中培养，依靠OXPHOS产生ATP。[U-13C]谷氨酰胺示踪法研究谷氨酸进入三羧酸循环（TCA）循环和还原性生物合成的代谢途径。
通过各种处理方法操纵线粒体活性，并通过基因编辑开发了P5CS敲除。在不同的营养条件和增殖状态下，利用成像技术评估P5CS的细丝形成。表达突变体P5CS形式以测试脯氨酸合成中的丝动力学，并添加脯氨酸和鸟氨酸以评估其影响。
为了检测P5CS在体内的聚集性，我们分析了人胰腺导管腺癌（PDAC）组织切片中线粒体中的P5CS纤维。据报道，由于血液供应和营养物质的限制，这些肿瘤在生长过程中难以为细胞提供足够的能量。高分辨率显微镜显示P5CS从ATP合酶分离。确认P5CS与ATP合酶复合物之间的相互作用，并评估线粒体膜电位。
用相关光镜和电镜（CLEM）分析了含p5cs线粒体的超微结构特征。研究了敲除opa1的mef对嵴形成和脯氨酸生物合成的影响。对融合缺陷的Mfn1/2?/?和分裂缺陷的Drp1?/?mef的线粒体动力学进行了线粒体形态学、OXPHOS活性和脯氨酸合成的评估。
结果
线粒体酶被分为三个功能簇：TCA循环（簇1）、氨基酸生物合成（簇2）和单碳代谢（簇3），其中P5CS架起了这三个途径。当细胞依赖于OXPHOS时，脯氨酸合成得以维持，这表明在氧化和还原代谢之间存在平衡。
成像显示P5CS在线粒体中形成细丝，特别是在依赖oxphos的条件下或营养胁迫下。突变体P5CS不能形成细丝导致脯氨酸合成减少，证实了形成细丝的必要性。添加脯氨酸或鸟氨酸可逆转P5CS纤维的形成，表明代谢需求调节了这一过程。
在体内，胰腺肿瘤细胞的线粒体亚群中观察到P5CS聚类，而邻近的正常组织则缺乏这种聚类。在肿瘤细胞中，含有P5CS的线粒体缺乏ATP合酶成分，而那些富含ATP合酶的线粒体不含P5CS。当线粒体分离时，即使总蛋白水平保持不变，P5CS与ATP合酶的相关性也较低。
含有p5cs的线粒体显示出更高的膜电位，表明它们参与脯氨酸和鸟氨酸合成的还原性代谢，而富含ATP合酶的线粒体较少参与这一过程。此外，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）水平的降低影响了脯氨酸的合成，证实了还原线粒体环境对脯氨酸的产生是必不可少的。
此外，含有p5cs的线粒体几乎完全失去了嵴，取而代之的是成堆的蛋白质细丝，而富含ATP合酶的线粒体则维持了嵴。含有p5cs的线粒体缺乏MICOS复合物MIC60和ATP合成酶亚基ATP5I。缺乏OPA1破坏了嵴，但没有阻止脯氨酸的生物合成。
活细胞成像显示含有p5cs的线粒体在半乳糖培养基中融合成更大的网络。融合缺陷细胞无法从ATP合酶中分离P5CS，呼吸活性受损，但脯氨酸合成维持正常。分裂缺陷细胞显示线粒体拉长，P5CS无法分离，脯氨酸合成减少，胶原蛋白生成受损。重新引入DRP1恢复了脯氨酸和胶原合成，将线粒体裂变与脯氨酸生物合成联系起来。
结论
总之，虽然线粒体融合和裂变有助于维持线粒体之间的相似性，但它们也有助于在细胞（包括胰腺癌细胞）内形成和维持专门的线粒体群，使每个线粒体群专注于不同的任务。线粒体通过以两种不同的形式呈现来适应营养匮乏的能力，甚至可能是癌细胞的关键生存策略。这一发现提供了一个有希望的治疗靶点，通过破坏肿瘤的代谢适应性来潜在地抑制肿瘤的生长。
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