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

線粒體穩態是維持細胞正常生理活動的關鍵，該穩態主要通過對線粒體相關的溶酶體，線粒體自噬，蛋白酶等物質的調節實現。本課題組對維持線粒體穩態的各類蛋白在精子、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，由963個氨基酸組成，相對分子質量為106kDa，經加工成熟后成為線粒體基質蛋白，相對分子質量為100kDa[1]。LONP1具有識別、水解線粒體中已經損傷或氧化的蛋白質，還具有分子伴侶、維持線粒體DNA穩定等作用[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的標志性現象，該現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化的原因之一[3]。 Gillies等研究發現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供應不足為特征的廣泛缺氧區內，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、遷移等生物學行為[3，4]。LONP1對線粒體穩態的維持至關重要，近年來有大量研究報道了LONP1在神經性障礙、心臟疾病、運動系統疾病、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在結腸癌中的表達和作用

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

Quiros等[11]檢測了多種人結腸癌細胞系(HCT116、HCT15、HT29、 SW480、SW620、DLD-1、RKO)和結腸上皮細胞(FHC細胞系)以及正常的結腸組織、結腸腺瘤組織、結腸癌組織中的LONP1水平，發現LONP1在所有的結腸癌細胞中的表達均高于正常結腸上皮細胞，結腸腺瘤組織、結腸癌組織中的表達亦高于正常組織，且在結腸癌中尤為明顯。進一步構建LONP1缺失的小鼠模型，發現LONP1缺失的純合子(LONP1-/-)在體內和體外胚胎培養中均不能存活，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野生型小鼠和雜合小鼠罹患結腸癌，發現野生型小鼠結腸癌罹患率為100%，而雜合子小鼠結腸癌的罹患率是72%，與雜合小鼠相比，野生型小鼠的結腸長度也較短，說明單倍劑量不足的LONP1能夠抑制腫瘤的形成。用MTT法檢測發現下調LONP1可使結腸癌細胞增殖率明顯下降。在裸鼠皮下接種LONP1下調、LONP1上調、以及普通的HCT16細胞，構建異位結腸癌模型，發現LONP1下調組小鼠的腫瘤生長速度較對照組明顯減慢，上調組裸鼠的腫瘤生長明顯加快，表明LONP1可以促進結腸癌細胞的增殖和腫瘤的生長。以上研究均提示LONP1可能在結腸癌的發生、發展中起到至關重要的作用。

金冬林等[12]通過免疫組織化學技術檢測90例結腸癌組織和90例癌旁組織中LONP1的表達情況，發現LONP1在結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果，發現LONP1 的表達與腫瘤浸潤深度、TNM 分期、淋巴結轉移相關。隨訪90 例患者，用Kaplan-Meier法進行生存期單因素分析，進行Log-rank檢驗后發現癌組織中 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腸癌的分化程度和患者預后。

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的LONP1水平發現，黑色素瘤內的LONP1水平較普通痣和正常皮膚組織都明顯增高[10]。臨床結果研究也顯示黑色素瘤的預后復發率與LONP1的水平呈正相關。Quiros等[11]發現下調小鼠B16F10 黑色素瘤細胞LONP1水平可使該細胞增殖率明顯降低。用高轉移性的黑色素瘤細胞進行小鼠的實驗性肺轉移試驗， LONP1下調組的腫瘤轉移數量較對照組降低了近10倍，相反LONP1過表達組的轉移數量則明顯增加。說明LONP1對黑色素瘤細胞的增殖和轉移有十分重要的作用。另外，LONP1下調和上調組黑色素瘤細胞中的ATP產生量、基礎耗氧量均降低，而葡萄糖消耗量和乳酸產生量增加，表明上調組和下調組均存在有氧呼吸作用的減弱以及糖酵解活動的增加，但是下調組和上調組線粒體復合物增加的種類和數量各有不同，推測代謝的變化是通過不同機制發生的。Quiros等[11]研究認為，LONP1下調組線粒體復合物的變化是由于線粒體功能發生紊亂，而上調組的各種線粒體復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發現，LONP1下調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的產量增加，表明LONP1的下調確實可使癌細胞線粒體功能發生紊亂。LONP1下調組中的抗凋亡蛋白Bcl-2的水平較上調組明顯降低，LONP1上調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%)的患者進行臨床預后追蹤，繪制卡普蘭-生存曲線發現，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蛋白及其基因的變化，發現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)是胃癌發生的高危因素[15]。研究顯示Hp可增加胃癌細胞內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線粒體功能，因此學者認為Hp介導的LONP1水平的增加可能是Hp誘導胃癌發生的原因之一[11,17]。分別調節感染和未感染Hp的胃癌細胞中LONP1的表達水平發現，下調未感染Hp的胃癌細胞中LONP1的表達可使細胞的耗氧量下降，而下調感染Hp的胃癌細胞中LONP1的表達可使細胞的基礎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]。物質代謝方式從氧化磷酸化轉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物質的表達量不同，經Hp感染且LONP1上調的胃癌細胞中的葡萄糖滲入量和乳酸產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下調的胃癌細胞的這兩個指標則明顯下降[14]。以上結果表明LONP1對Hp相關的胃癌細胞的線粒體活動有十分重要的作用。用低感染復數(MOI=50)Hp感染LONP1下調的胃癌細胞可使生長和增殖率明顯降低，而未經Hp感染，僅上調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，差異有統計學意義。檢測16例新鮮的宮頸癌組織及相應癌旁組織的LONP1水平，發現宮頸癌組織的LONP1水平明顯高于對應的癌旁組織。進一步觀察LONP1下調的宮頸癌HeLa細胞的生物學行為發現，下調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下調組細胞增殖速率顯著低于未下調組，且克隆團的大小也較未下調組小得多。Bayot等[20]檢測了LONP1下調后的宮頸癌HeLa細胞中的ROS水平，發現LONP1下調使宮頸癌HeLa細胞中的ROS產生量升高，ROS相關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ROS的穩定來維持線粒體功能的穩定。

另外，研究表明LONP1與膀胱癌、淋巴癌、肺癌等惡性腫瘤的發生也密切相關。例如，Liu等[21]研究發現，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。免疫組織化學染色法結果顯示，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，分化程度越低表達量越高，LONP1的表達還與膀胱癌原發腫瘤、組織學類型及TNM的分期相關。研究發現下調膀胱癌細胞內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LONP1可使膀胱癌細胞凋亡明顯增加，而這一現象與蛋白質印跡法(Western blot,WB)檢測的凋亡相關蛋白PARP和caspase-3的增加相一致。在淋巴瘤中，Bernstein等[22]研究發現淋巴瘤活檢組織、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結構，發現胞內有含明顯致密線的線粒體包涵體(是凋亡相關蛋白被激活的線粒體表現)，LONP1下調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]研究發現，obtusilactone A 和(-)-sesamin可使肺癌NSCLC 細胞內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生、發展的重要一步。

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行為、線粒體功能的變化。惡性腫瘤患者LONP1的表達量與其預后和生存時間相關。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抑制劑領域的研究熱點。研究表明CDDO可以通過沉默LONP1而后介導線粒體蛋白聚集，從而誘導淋巴瘤細胞死亡，這一現象為LONP1作為淋巴瘤治療的靶點提供了證據[22]。Gibellini等[2]用CDDO和 CDDO-ME作用于RKO細胞，發現細胞凋亡明顯增加，而在正常細胞或者未轉化的細胞中加入CDDO和CDDO-ME則沒有此現象，這一結果為CDDO和CDDO-ME成為良好的抗癌藥物增加了優勢。雖然LONP1抑制劑在臨床的應用尚需進一步研究，LONP1可否作為腫瘤早期篩查的標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。