线粒体外膜蛋白TOMM20阻止前列腺癌产生抗雄激素药物抵抗的机制研究

Androgen deprivation therapy is the mainstay of treatment for the advanced and metastatic prostate cancer (PCa). However, PCa patients develop drug resistance and transit to the castration-resistant prostate cancer in the course of treatment. The molecular mechanism is not clearly defined. Our recent studies demonstrated that in addition to HSP molecules, AR protein is co-localized with mitochondrial outer membrane protein TOMM20, and physically interact to maintain the reciprocal protein stability. The anti-androgen agents induced the degradation of AR and TOMM20 proteins, thereby elevated ROS level. We hypothesized that the anti-androgen agents activated the mitochondria-mediated cell survival or anti-apoptotic signals by destroying TOMM20 protein and producing ROS, thereby promoted the development of resistance to anti-androgen agents. To test these hypotheses, we will pursue the following three tasks: 1. To determine the roles of TOMM20 in the progression of prostate cancer. 2. To identify the interactive protein domains of AR and TOMM20, and analyze the mutual functional influence in the AR-positive PCa cells. 3. To define the roles of TOMM20 in the development of resistance to anti-androgen agents. The proposed project will identify the novel roles of TOMM20 in the maintenance of AR protein stability independent of HSP molecules, and explicit how TOMM20 inhibits the progression of prostate cancer and the resistance to anti-androgen agents. The implementation of this project will help to develop novel strategies to overcome the resistance of PCa patients to anti-androgen agents, showing great theoretical innovation and clinical value.

雄激素剥夺治疗是晚期转移性前列腺癌的主要治疗方法。但在治疗过程中，前列腺癌从激素依赖演变为去势抵抗状态，分子机理尚未完全明了。我们前期研究发现，除热休克蛋白分子外，线粒体外膜蛋白TOMM20参与了维持AR蛋白稳定性。抗雄激素药物促进了AR和TOMM20蛋白质降解，继而升高了细胞ROS水平。据此我们提出如下科学假说：抗雄激素药物经AR-TOMM20途径激活了线粒体介导的细胞生存和抗凋亡相关信号分子，导致前列腺癌细胞产生抗雄激素药物抵抗。本项目拟从以下三个方面进行研究：①揭示线粒体外膜蛋白TOMM20抑制前列腺癌发展的作用。②明确AR和TOMM20蛋白质互作的结构域，研究功能上的相互影响。③阐明TOMM20阻止前列腺癌产生抗雄激素药物抵抗的分子机制。本项目将揭示线粒体外膜蛋白TOMM20稳定AR蛋白的新机制，为发展新的治疗策略克服抗雄激素药物抵抗提供实验依据，具有很好的理论创新和临床应用价值。

雄激素剥夺治疗（ADT）是前列腺癌（PCa）的一线治疗方案，有效抑制PCa进展。然而在治疗18-24个月后，患者不可避免产生治疗抵抗，PCa从雄激素依赖转变成为去势抵抗前列腺癌（CRPC）。第二代AR拮抗剂阿比特龙和恩杂鲁胺已经批准用于转移性CRPC治疗，显示出了良好的临床疗效。然而，约10-17%的CRPC患者最终会进展成为神经内分泌型前列腺癌（NEPC），具体分子机制不明。本研究发现，在PCa组织或细胞中，线粒体外膜蛋白TOMM20与AR蛋白共定位、表达水平呈正相关；AR与TOMM20互作维持蛋白稳定。AR拮抗剂促进了TOMM20蛋白通过自噬-溶酶体途径降解；稳定敲低TOMM20后的PCa细胞克隆形成和增殖能力增加。敲低TOMM20促进PCa细胞产生对AR拮抗剂抵抗。反之，过表达TOMM20可以增加比卡鲁胺/恩杂鲁胺抵抗细胞对AR拮抗剂治疗的敏感性。我们进一步探究了TOMM20下调引起PCa抗雄激素治疗抵抗的具体分子机制。RNA-seq测序结果发现，敲低TOMM20后的PCa细胞中ROS及PI3K/AKT相关信号通路激活。同样，抗AR药物可以通过降低TOMM20蛋白表达升高细胞内ROS水平，并激活PI3K/AKT信号通路。进一步分析RNA-seq数据，我们也发现前列腺癌细胞敲低TOMM20后，细胞凋亡水平下降，而神经内分泌相关信号基因富集。进一步实验发现，TOMM20稳定敲低后前列腺癌细胞失巢凋亡水平下降、细胞干细胞指标及神经内分泌相关指标上调。为进一步证实TOMM20敲除可以促进前列腺癌细胞神经内分泌转化，我们在LNCaP细胞中稳定敲低TOMM20并去雄培养30天，分别检测两组LNCaP细胞中触角分支数目及长度的变化，结果显示：敲低TOMM20可以增加前列腺癌细胞LNCaP的触角分支数目及长度，提示TOMM20敲低促进了前列腺癌神经内分泌转化。敲低TOMM20的LNCaP细胞在裸鼠中形成移植瘤的比例从1/10增加到7/10，提示TOMM20敲低促进了前列腺癌细胞获得了肿瘤干细胞特性。综上所述，AR拮抗剂通过诱导TOMM20蛋白通过溶酶体-自噬降解途径降解，促进前列腺癌向NEPC的转化。本研究首次阐明了AR拮抗剂通过线粒体外膜蛋白TOMM20介导的细胞应激产生耐药的新的分子机制。