线粒体融合/分裂的动力学平衡耦合代谢重编程在口腔鳞癌细胞干性获得中的作用及机制研究

Cancer stem cells (CSCs) are those responsible for driving tumor growth and progression in oral squamous cell carcinoma （OSCC）. Recently, evidence has been provided that non-CSCs and CSCs are inter-convert. The stemness of CSCs is dynamically changing. But the mechanisms underlying the acquisition of stemness remain unclear. Our previous works have identified that mitochondrion is important in regulating the differentiation of adult stem cells and also a potential target for the treatment of OSCC. In light of these observation, we are prompted to define the role of mitochondria in regulating the acquisition of stemness of CSC in OSCC.We propose the hypothesis that by altering intermediate metabolites，mitochondrial dynamics coupled with metabolic reprogramming may regulate pluripotency factors expression through an epigenetics manner and then regulate the stemness of CSCs in OSCC.To validate the hypothesis, firstly, we will analyze the mitochondrial dynamics and metabolism characteristics of CSCs in OSCC patient-derived tumor xenografts (PDX). Then we will study the role of mitochondrial dynamics related protein in the acquisition of stemness of CSCs. Finally, we will evaluate how mitochondrial dynamics coupled with metabolic reprogramming regulate the stemness of OSCC in a perspective of epigenetic regulation of pluripotency factors by intermediate metabolites. This study holds promise to provide a novel model to understand the mechanism for the acquisition of stemness of CSCs, as well as new targets and strategies for the treatment of OSCC.

肿瘤干细胞的干性获得是一个多源、动态变化的过程（Nature, 2017），阐明其机制是提高肿瘤靶向治疗效率的关键。申请人前期研究发现线粒体是调控成体干细胞干性的重要因子(J Pineal Res, 2017)。但线粒体是否在肿瘤干细胞干性的获得中具有重要作用，尚未阐明。结合前期结果，申请人提出线粒体动力学耦合代谢重编程通过改变中间代谢产物，表观遗传调控干性因子的表达，进而影响肿瘤干细胞干性获得的假说。为阐明此假说，本项目以口腔鳞癌（OSCC）为研究对象，利用OSCC人源肿瘤异种移植模型（PDX），首先考察OSCC肿瘤干细胞的线粒体动力学与代谢重编程现象，然后评估影响线粒体融合/分裂的关键蛋白对肿瘤干细胞干性获得的影响，最后探索线粒体动力学耦合代谢重编程调控OSCC肿瘤细胞干性的机制。项目不仅将探索肿瘤干细胞干性获得的新的机制，同时，有望为靶向肿瘤干细胞的OSCC治疗的新策略奠定基础。

口腔鳞癌患者 5 年存活率近几年来未有改善, 深入理解口腔鳞癌的发病机制是提高患者 5 年生存率的基础与关键。肿瘤干细胞在包括口腔鳞癌在内的肿瘤发生发展中起到了驱动作用，探究肿瘤干细胞的相关特性，有望为口腔鳞癌的治疗提供新的策略。本项目主要探究了口腔鳞癌肿瘤干细胞中线粒体功能的差异。聚焦于线粒体动力学关键调节蛋白DRP1对口腔鳞癌细胞干性的调节作用，重点解析了DRP1敲除后，其通过影响谷氨酰胺代谢，抑制肿瘤细胞干性的机制；并提出了靶向DRP1提高口腔鳞癌对铁死亡敏感性的治疗策略。我们发现口腔鳞癌肿瘤干细胞在镜下观测线粒体呈点状，表明线粒体动力学与肿瘤细胞干性具有一定的相关性。之后我们发现干扰调控线粒体动力学的关键蛋白DRP1后，线粒体形态变长，呈长管状，细胞克隆形成能力降低。我们通过体内成瘤实验及体外成球培养实验发现，DRP1敲除的口腔鳞状细胞癌细胞干性降低，这些结果表明线粒体动力学可能在肿瘤细胞的干性获得中发挥重要作用。我们接着探索了线粒体动力学影响肿瘤细胞干性的机制。我们首先检测了线粒体呼吸的变化，我们发现DRP1敲除后，肿瘤细胞线粒体呼吸增强，进一步的研究表明，增加的线粒体呼吸可以促进谷氨酰胺代谢，并提高了谷氨酰胺代谢流向TCA循环的通量，这直接导致了TCA循环重要的代谢中间产物α-KG含量升高。α-KG是表观遗传调控的重要辅因子，可以促进组蛋白的去甲基化修饰。通过免疫印记实验我们发现DRP1敲除之后的口腔鳞癌细胞中 H3K27me3 的含量降低。通过进一步的分析我们发现，H3K27me3 在 snai 2基因启动子区域富集，进一步研究发现DRP1敲除后，SNAI2表达显著降低。该研究揭示了线粒体动力学改变后，提高了谷氨酰胺流入TCA循环的通量，提高α-KG的含量进而表观遗传调控SNAIL2的表达，影响肿瘤细胞干性获得，提出了肿瘤细胞干性获得的新机制，进而为靶向肿瘤干细胞治疗口腔鳞癌提供了新的理论基础和靶点。