线粒体IscU2通过细胞代谢重编程影响肿瘤发生的机制研究

IscU2 is necessary for mitochondrial biogenesis due to its essential role in the iron-sulfur assemble of several iron-sulfur proteins within oxidative phosphorylation system (OXPHOS). In cancer cells, the shift of metabolic profile from OXPHOS to glycolysis was regulated by oncogene and tumor suppressor genes such as P53, RAS and mTOR, through which, a translational or post-translational modification of IscU2 was induced in cancer cells to decrease OXPHOS. Therefore, IscU2 was considered as a final executive protein targeted to OXPHOS in the process of metabolic reprogramming. In our preliminary work, we found that decreased level of IscU2 impaired OXPHOS function, and decreased OXPHOS function activates mitochondrial-mediated signaling pathways (retrograde signaling pathways/mitochondrial-nuclear interaction) such as AMPK, AKT, JNK, and P38, which are key mediators of metabolic reprogramming in cancer cells. Under this situation, it is likely that IscU2 serves as an upstream regulator rather than a downstream executive protein in metabolic network. To uncover the underlying mechanism of IscU2 in the metabolic reprogramming of cancer cells through retrograde signaling pathways. We are planning to build a network of metabolic profiles and retrograde signaling pathways through high-throughput technology in cell models with different expression of IscU2 or its target protein; find out target protein of IscU2 and downstream signals of OXPHOS dysfunction, which can initiate metabolic related retrograde signaling pathways. We expect that our proposed research will provide important and previously unrevealed mechanisms of metabolic reprogramming in cancer cells.

铁硫蛋白参与了氧化磷酸化（OXPHOS）和三羧酸循环等关键过程，其辅基铁硫簇2Fe-2S/4Fe-4S的组装依赖于IscU2。有研究分别报道在多种肿瘤细胞中IscU2呈低表达，OXPHOS复合体的组装与其复合体亚基铁硫蛋白的表达相关，肿瘤细胞中OXPHOS功能普遍降低而糖酵解增强。我们的研究发现IscU2下调可导致OXPHOS功能缺陷，而OXPHOS功能缺陷可激活细胞核-线粒体逆向信号转导重编程细胞的代谢方式。因此，我们认为：线粒体IscU2作为起始节点，通过下调OXPHOS功能，激活逆向信号转导，介导肿瘤细胞代谢重编程，促进肿瘤生长。基于此，本项目拟以线粒体IscU2影响铁硫簇组装为切入点，通过OXPHOS功能检测揭示IscU2在肿瘤细胞代谢重编程中的作用，进一步验证IscU2通过下调OXPHOS功能激活逆向信号转导实现细胞代谢重编程的机制，阐明铁硫簇组装与肿瘤发生的关系。

线粒体中最常见的铁硫（Fe / S）蛋白包括呼吸链的线粒体复合物I、II和III，柠檬酸循环的顺乌头酸酶等，主要参与线粒体电子传递和柠檬酸循环。IscU2作为铁硫蛋白辅基铁硫簇的组装因子，在调节线粒体铁硫蛋白功能中起关键作用，与 OXPHOS 功能下降所致的肿瘤发生密切相关。我们想通过研究线粒体IscU2影响铁硫簇组装和OXPHOS功能，揭示IscU2在肿瘤细胞代谢重编程中的作用，阐明铁硫簇组装与肿瘤发生发展的关系。本研究中，我们完成内容如下：1.研究了肿瘤细胞线粒体内铁硫簇组装情况，测定肿瘤组织细胞中IscU2蛋白表达水平和铁硫簇组装活跃程度。2.研究铁硫簇组装缺陷对细胞代谢的影响。3.分析IscU2 介导了何种逆向信号转导来促进细胞代谢的重编程。4.研究铁硫簇组装缺陷在癌症发生中的作用及其机制。主要取得如下进展：1.利用免疫组化结合数据库转录水平分析得到IscU2 蛋白在胰腺癌病例中的表达水平较正常人明显升高 2. 以胰腺导管腺癌（PDAC）细胞为载体，构建了 IscU1/2的敲低模型、过表达以及IscU2 回复模型，通过细胞增殖、克隆形成、成球实验等表型实验发现ISCU低表的细胞模型与对照组相比都呈现降低的现象3.胰腺癌IscU1/2敲低细胞中的线粒体氧耗下降，细胞内的ROS水平升高，ATP水平下降。4.代谢组学分析在IscU2 KD 的PDAC细胞中，柠檬酸循环的部分中间代谢产物α-酮戊二酸（α-KG）含量明显升高。 5.我们发现糖剥夺压力条件下，IscU1/2低表达的胰腺癌细胞凋亡率大幅升高，这种升高可以通过补充天冬氨酸部分抑制。6.我们的研究表明α-KG抑制胰腺癌细胞的增殖和类似干细胞特性，胰腺癌细胞可以过表达 IscU2 来改变谷氨酰胺进入三羧酸循环后的中间代谢产物 α-酮戊二酸的代谢通路减少其堆积，并影响胰腺细胞DNA甲基化，我们推测IscU2通过促进DNA甲基化加速细胞周期进程来促进胰腺癌细胞增殖。