Nature子刊 | 高级别前列腺癌中的 OXPHOS 重塑涉及 mtDNA 突变和琥珀酸氧化增加- O2k在前列腺癌研究领域的应用

引言

前列腺癌（Prostatic Cancer，PCa）发病率居全球男性恶性肿瘤D二位，仅在2020年就有大约140万例病例，连股神巴菲特也难逃前列腺癌的魔爪。前列腺癌的病因及发病机制十分复杂，其确切病因尚不明确。随着社会老龄化、人口城市化，其发病率快速增长，前列腺癌正日益成为严重威胁我国男性健康的疾病。

前列腺癌研究为什么要关注线粒体?

       前列腺癌发病机制复杂，能量代谢的重组和线粒体的适应被认为会影响前列腺癌的发生和发展。线粒体是细胞生命活动的能量工厂，是几乎所有直核生物都存在的一种细胞器。它的主要功能是进行氧化磷酸化(OXPHOS)合成ATP，是糖类、脂肪和氨基酸等物质的Z终氧化释放能量的场所，对维持生物体正常生理功能至关重要:线粒体除了作为细胞内能量生成的关键细胞器，还参与细胞凋亡、脂质代谢、自由基产生等代谢过程。已有研究表明，线粒体DNA突变在前列腺癌中起重要作电、线粒体DNA突变将直接引发线粒体功能障碍，导致线粒体ROS产生增加和氧化还原再平衡，刺激癌细胞的增殖和侵袭，但其具体的分子机制并不清楚，因此，深入探讨线粒体在前列腺癌发生发展过程中的分子作用机制，将为前列腺癌新的药物靶点的发现提供重要理论依据

应用案例：Nature子刊 | 前列腺癌中的OXPHOS重塑涉及mtDNA突变和琥珀酸氧化增加

        摘要:奥地利因斯布鲁克医科大学遗传与药理学系遗传流行病学研究所BerndSchöpf教授于2020年在《Nature Communications》发表《OXPHOS remodeling in high-qrade prostate cancer involves mtDNA mutations and increased succinate oxidation》，文献报道了良性恶性人类前列腺组织样本中，线粒体呼吸、DNA变异和基因表达的关联研究。研究发现，前列腺癌组织中NADH途径底物谷氨酸和苹果酸盐的呼吸能力降低，代谢显著向更高的琥珀酸盐氧化代谢转变，尤其是在前列腺癌中更为明显。潜在有害的线粒体DNA突变的负荷在肿瘤中较高，并且与不利的风险因素相关。编码线粒体复合体|(CI)基因的高水平有害变异与NADH途径氧化能力降低70%和琥珀酸盐氧化增强(复合体途径)补偿相关，这些结果表明琥珀酸盐作为“前列腺癌代谢物”的重要性。鉴于这些发现，琥珀酸盐和复合体II(CII)有希望成为新型的抗前列腺癌的药物靶点。

       结果：从50例前列腺癌根治术标本中每例提取成对良性/恶性组织穿刺针活检。一小部分提取的组织被固定并用于组织学染色(粉色箭头)并确认组织特性，其余的立即用于O2k检测(蓝色箭头)、NGSmtDNA图谱(橙色箭头)和mtDNA拷贝数测定(灰色箭头)。O2k评估每个前列腺标本的成对良性/恶性组织活检的OXPHOS水平，并且用H202进行短期处理以模拟氧化应激。与 PCa组织相比，良性组织显示出显着更高的NADH通路OXPHOS容量(电子通过CI进入 Q)，在进一步添加琥珀酸盐(S)后，没有观察到OXPHOS(NSP)和ET(NSE)呼吸能力的差异，表明通过琥珀酸盐途径的会将电子转移增加来补偿NADH途径缺陷(电子通过CII进入 Q)。与相应的良性样本相比，含线粒体DNA突变的前列腺癌恶性组织样本显示非常低的 NADH通路容量(P&G&M;内酮酸&谷氨酸&苹果酸)，其NADH通路容量降低了>70%，对这些突变的结构分析显示，氨基酸的变异导致了对复合体的潜在有害影响，并证明了存在的因果关系。

参考文献: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).

线粒体氧化磷酸化功能评估为前列腺癌研究带来的重要参考

       线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）系统是线粒体能量代谢的中心，是真核细胞能量产生的关键。支持OXPHOS系统运转的是电子传递链（ETC）的上五种酶复合体：复合体I、复合体II、复合体III和复合体IV，由复合体I-IV生成的质子梯度随后被复合体V所利用，催化ADP磷酸化生成ATP。OXPHOS系统中任何一个复合体发生异常或功能障碍，都会ji易导致线粒体发生功能障碍，因此通过检测OXPHOS系统各复合体功能活性来评估线粒体氧化磷酸化功能，将为深入研究前列腺癌发病机制带来重要参考，但如何快速检测分析OXPHOS各复合体的功能活性，是评估线粒体氧化磷酸化功能的技术难点。目前对OXPHOS各复合体的功能活性的检测，主要是采用比色法，操作时间长，步骤多，只能对单个复合体功能活性进行终点法的检测分析，无法一次性实时动态检测分析同一样本各复合体功能活性。

Oroboros O2k拥有的一次性同时快速检测线粒体氧化磷酸化各复合体的功能活性的技术特点：

       Oroboros O2k提供了一种独特的SUIT（底物-解偶联剂-抑制剂-滴定，Substrate-uncoupler-inhibitor-titration）检测方案来检测线粒体氧化磷酸化各复合体的功能活性。Oroboros O2k没有加药孔的限制，也没有试剂盒的限制，可以根据实验设计灵活的无限制的添加底物、抑制剂、解偶联剂及不同浓度的药物滴定，实现同一个样本一次性快速进行复合体I、复合体II、复合体IV、z大呼吸率、ATP合酶的功能活性检测，深度挖掘线粒体能量代谢信息，快速评估和表征线粒体氧化磷酸化各复合体功能活性，从而助力前列腺癌研究。

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