自噬对线粒体代谢的调节支持瘦素诱导的细胞迁移

自噬是细胞内成分降解和循环利用、维持体内平衡并允许细胞在饥饿或缺氧等不利生理条件下适应和生存的主要过程之一9。 在癌症中，自噬的作用已被广泛探索，并且人们认识到它可以在早期阶段阻止恶性转化。 尽管如此，在已形成的肿瘤中，它对于增殖、获得转移潜力和增加肿瘤恶性程度是必要的8,9,32,33。 由于 RAS/MAPK 致癌突变驱动的一些癌细胞的增殖和存活被确定为对自噬过程上瘾，因此靶向自噬已被实施为一种潜在的治疗策略10,22,34。 然而，这种治疗方法在癌症临床试验中的结果尚未得出结论，可能取决于肿瘤背景8。

由于瘦素被证明可以在健康的外周组织中诱导自噬，因此人们越来越关注阐明自噬在瘦素驱动的肥胖相关癌症的恶性特征中的作用。26。 绝经后乳腺癌是与女性肥胖相关的恶性肿瘤之一。 在肥胖中，与癌发生和肿瘤进展相关的脂肪因子、细胞因子和激素的分泌发生改变35。 肥胖症中所有失调的生物活性分子之一是脂肪因子瘦素。 根据证据，在肥胖乳腺癌患者中，血浆中瘦素水平较高以及肿瘤中瘦素受体过度表达与不良预后呈正相关36,37; 由于瘦素信号传导缺陷，遗传性瘦素受体缺陷的小鼠不会发展出癌基因诱导的乳腺肿瘤38。 在乳腺癌的体外模型中，瘦素通过激活 ERK、STAT3 和 FAK-Src 等信号通路对增殖、迁移、上皮间质转化 (EMT) 和细胞侵袭的作用已被描述。31,39,40。 在这项工作中，我们使用代表两种乳腺癌亚型的细胞系：激素受体阳性亚型和三阴性亚型。 与其他报道类似，我们证明瘦素促进了恶性肿瘤的肿瘤特征，例如间充质样细胞形态（图1）。 1e) 激素受体阳性细胞增殖增加（图 1）。 1a,b) 但不在三阴性细胞中（图 1） 1光盘）。 此外，我们的数据表明瘦素增加了 ERK 激活（图 1）。 1f–i)，与增殖相关的主要信号通路41。 这些数据表明，瘦素有利于癌细胞的侵袭性，并且由于瘦素不会增加所有癌细胞系中的 pAKT 和 pJAK（补充图 1）。 S2），所有细胞系中的 ERK 激活增加，并且仅增加 ER+/PR+ 细胞的增殖，这表明了 ERK 途径的另一种机制，瘦素通过该机制增加激素受体阳性细胞的增殖，而不是三阴性乳腺癌细胞的增殖。 或者，ERK 可以参与瘦素诱导的具有低基础 ERK 激活水平的 ER+/PR+ 细胞的增殖，而不参与具有较高基础 ERK 激活水平的三阴性细胞的增殖。 三阴性细胞中的高基础 ERK 水平可能与其高增殖或侵袭能力有关，并且瘦素诱导的 ERK 磷酸化增加可能会产生与增殖无关的影响。

我们之前报道过瘦素在 ER+/PR+ 细胞中诱导自噬，但在三阴性细胞中不诱导自噬19。 我们目前的结果与之前的研究一致（图 1）。 2a,b) 并证明抑制瘦素诱导的自噬会损害激素受体阳性细胞中瘦素增加的增殖（图 1）。 2c,d)，表明自噬参与瘦素诱导的细胞增殖。 尽管瘦素不诱导自噬（图1）。 2b) 或三阴性细胞的增殖（图 1）。 1c，d），两种细胞系对基础自噬抑制的反应不同（图1）。 2e、f）。 在MDA-MB-468细胞中，自噬抑制不会影响增殖，但在MDA-MB-231细胞中却会影响增殖（图1）。 2e、f）。 这种效应是有争议的，因为据描述，基础条件下的三阴性细胞依赖自噬生存，因为它们在与自噬依赖性相关的途径（如 RAS/MAPK 途径、p53 或 STAT3 或 EGFR 途径激活）中发生了改变8,42。 因此，我们不排除在 MDA-MB-468 三阴性细胞中观察到的对自噬抑制缺乏敏感性可能与我们研究中使用的实验条件有关，因为细胞在瘦素处理之前被剥夺了血清。 在这种情况下，该特定细胞系中可能会激活额外的应激信号，从而能够在 CQ 治疗下存活。 总的来说，我们认为瘦素对激素受体阳性乳腺癌细胞增殖的生物学效应是由自噬介导的。 尽管瘦素最终不会改变三阴性细胞的自噬或增殖，但这些细胞中活跃的自噬基础水平可能参与其他瘦素诱导的肿瘤特征，正如我们将在代谢和细胞迁移方面描述的那样。

代谢重编程是与细胞增殖率升高相关的癌症标志43。 在大多数实体瘤中，瓦伯格效应或有氧糖酵解，以高葡萄糖摄取和乳酸释放为特征，已被认为是维持大分子生物合成和能量产生的主要代谢特征43。 在一些乳腺肿瘤中，已经描述了糖酵解代谢谱44。 然而，尽管癌细胞中的糖酵解可能会增加，但也有人提出，乳腺肿瘤细胞会增加线粒体活性，以促进远处器官的转移定植45,46,47,48,49。 在这方面，一些作者提出，在癌症向转移发展过程中，线粒体呼吸的增强提供了丰富的 ATP 来驱动远处部位的迁移和定植50。 重要的是，肿瘤微环境在这种代谢重编程中起着关键作用，要么提供能量底物，要么分泌信号分子来支持转移级联反应并重新激活转移靶器官中的细胞增殖。 例如，与原发肿瘤不同，在转移部位，营养物和氧气通常不受限制。 因此，转移部位营养物质和氧气的可用性增加以及线粒体呼吸的增加可能是满足与转移建立相关的能量需求的有效方法50。 在与肥胖相关的癌症中，当用肥胖小鼠的血清培养转移性乳腺癌细胞时，与代谢相关的基因表达会发生变化，包括脂肪酸代谢、mTOR 信号传导和自噬50，表明脂肪细胞信号传导在肿瘤细胞代谢中的重要作用。 特别是，脂肪细胞介导的瘦素分泌增加可以影响肿瘤细胞的代谢，以及肿瘤邻近细胞的代谢51。 例如，研究表明瘦素影响乳腺癌细胞分泌的蛋白质货物和细胞外囊泡的生物活性，增加乳腺癌细胞的线粒体代谢，并调节巨噬细胞代谢，巨噬细胞是肿瘤中最丰富的免疫成分微环境52。 此外，在雌激素受体阳性 (ER+) 细胞中已证明，瘦素可增加线粒体 ATP 的产生并增强线粒体呼吸53,54,55。 另一方面，据报道，在胰腺癌细胞中，瘦素可增加葡萄糖摄取、乳酸产生和糖酵解酶己糖激酶 II (HK II) 的表达56。 我们的数据与之前的证据一致，并表明瘦素不仅增强激素受体阳性细胞中的线粒体功能和 ATP 产生（图 1）。 3a,b)，但也存在于三阴性乳腺癌细胞中（图 1）。 3光盘）。

此外，我们首次证明瘦素可以增加三阴性乳腺癌细胞中糖酵解 ATP 的产生（图 1）。 3光盘）。 尽管有人认为瘦素对细胞代谢的影响可能是通过增加线粒体生物发生和动力学来介导的54，最近 Pham 等人。 揭示瘦素诱导的 β-氧化和 OXPHOS 活性的增加可能受到自噬的调节57。 有趣的是，我们的结果表明，自噬的药理学和遗传抑制阻止了瘦素诱导的激素受体阳性和三阴性癌细胞中线粒体功能的增强（图 1 和 2）。 3广告， 4a-g，补充图 S5–S7）表明自噬在介导乳腺癌细胞线粒体功能中具有一般作用。 此外，我们还发现，自噬抑制可逆转三阴性乳腺癌细胞中瘦素诱导的糖酵解 ATP 产生的增加（图 1）。 3c,d)，表明自噬也支持这种乳腺癌亚型的糖酵解。

尽管我们没有研究自噬调节瘦素驱动的糖酵解和线粒体代谢的分子机制，Pham 等人。 在 ER+ 细胞中，自噬诱导 SREBP-1，这是一种转录因子，可介导瘦素诱导的脂肪酸代谢，增加线粒体 ATP 的产生57。 这种机制代表了自噬调节瘦素诱导的代谢的潜在途径。 然而，可能涉及多种监管途径。 例如，关于线粒体代谢，据描述，自噬降解线粒体可促进健康的线粒体并保持线粒体的完整性和功能58。 此外，自噬对细胞质成分的降解可以提供维持三羧酸循环（TCA）的代谢物18。

关于糖酵解调节，自噬对糖酵解酶（例如 HK II）的降解可以破坏糖酵解过程，并最终通过回补来控制线粒体功能59。 然而，最后一种选择似乎不太可能，因为我们没有看到瘦素处理后糖酵解 ATP 产生减少，甚至在三阴性细胞中增加。 自噬也被证明支持 RAS 驱动的糖酵解活动60。 此外，研究还表明，自噬通过增加单羧酸转运蛋白 1 (MCT1) 表达并通过涉及 Wnt/β-连环蛋白途径激活的机制增加乳酸释放来调节糖酵解谱。61。 据作者称，自噬诱导的糖酵解增加与肝细胞癌细胞的转移有关61。 作为糖酵解的产物，肿瘤细胞在细胞外空间释放的乳酸对于肿瘤微环境酸化的转移过程至关重要，这有利于基质金属蛋白酶（MMP）、尿激酶型纤溶酶原激活剂等蛋白酶的激活、组织蛋白酶 B、D 和 L 诱导细胞外基质 (ECM) 降解并促进肿瘤细胞转移62。

一般来说，我们认为瘦素诱导的代谢变化是维持与转移相关的肿瘤侵袭性增加的特征所必需的。 在这种情况下，自噬是一种容易激活的过程，细胞利用它来加速营养物质的生物利用度并满足维持被认为是高能量需求的癌症特征所需的能量需求。 此外，自噬调节的代谢变化可能影响肿瘤附近非肿瘤细胞的代谢，因为瘦素诱导细胞外囊泡分泌，在乳腺肿瘤微环境中免疫细胞内的代谢串扰中发挥重要作用，其中瘦素浓度可能高于血液中的浓度52。 这一假设需要在未来的研究中进行检验。

在整个侵袭-转移级联过程中，肿瘤细胞暴露于挑战其生存的多种因素。 在此过程中，初始步骤之一包括基底膜的局部侵袭和细胞迁移63。 这两个事件都需要能量分布在细胞骨架的组织和收缩性、侵袭伪足的延伸（将突出力和收缩力的组合应用于基质中的物理开放空间并穿过它们），甚至用于将基质金属蛋白酶（MMP）运输到侵入前沿降低 ECM 性能30。 通过这种方式，调节癌细胞的新陈代谢是一种可以获得增加的侵袭特性的策略。 有证据表明，迁移细胞利用线粒体功能来改善 ATP 生成和糖酵解，从而改变 ECM 中的微环境并允许迁移14,30。 在这方面，我们证明瘦素驱动三阴性乳腺癌细胞中的线粒体功能和糖酵解 ATP 的产生（图 1）。 3c,d) 具有不同的迁移能力和入侵潜力64，更重要的是，我们揭示自噬是一种调节瘦素诱导的代谢变化的机制，负责迁移和侵袭潜力（图 1-2）。 3光盘， 4c、d、g、 5，补充图。 S9）。

在我们之前的工作中，我们发现抑制自噬可恢复瘦素诱导的 MDA-MB-231 细胞迁移19。 我们的数据支持上述观点，因为瘦素增加了三阴性细胞中的细胞迁移，而自噬的药理学和遗传抑制降低了瘦素的作用（图1）。 5a、b、d、e，补充图 S8–S11）。 此外，结果表明自噬还调节瘦素诱导的细胞侵袭（图 1）。 5C）。 虽然之前的研究提出瘦素通过FAK-Src、TGFβ1轴、IL-18通路等多种机制调节细胞迁移和侵袭24,31,65，我们证明自噬对代谢的调节支持瘦素诱导的细胞迁移和侵袭（图 1 和 2）。 4,5，补充图。 S9）。 更重要的是，我们的数据表明，自噬抑制比 OXPHOS 抑制更能有效地减少瘦素诱导的细胞迁移（图 1）。 5a、b、d、e，补充图 S8–S10）。 这可能是因为自噬抑制减少了瘦素介导的线粒体功能和糖酵解 ATP 产生的增加（图 1 和 2）。 3光盘， 4c、d、g)，减少 ATP 来源，使细胞可用于细胞迁移的能量减少。 此外，自噬还可以调节其他调节迁移和侵袭的机制，正如粘着斑周转所证明的那样66。

重要的是，自噬基因 ATG5 的敲低与 OXPHOS 抑制剂相结合，完全抑制了瘦素诱导的迁移能力和基础迁移（图 1）。 5d、e，补充图 S10）。 这些结果表明，即使在自噬抑制以及随后防止瘦素诱导的糖酵解和线粒体代谢变化的情况下，癌细胞的基础代谢过程仍然支持癌细胞迁移。 此外，我们的数据表明，抑制自噬与 OXPHOS 损伤相结合，可能是阻止转移相关过程（例如瘦素诱导的细胞迁移）的有效策略。 尽管我们的数据集中于瘦素的作用，但我们并没有放弃自噬和 OXPHOS 的联合抑制可能是三阴性乳腺肿瘤的适当策略，三阴性乳腺肿瘤显示出自噬标记物的高表达，与不良预后呈正相关，并且还显示出与转移阶段 OXPHOS 相关的途径的富集，尽管肿瘤最初依赖于糖酵解代谢44,48,67，特别是在肥胖的情况下。

与自噬调节的有前途的治疗方法类似，线粒体代谢增加目前被认为是癌细胞在转移过程中的代谢脆弱性68 多项研究支持这一提议。 例如，为了在血管或淋巴管中生存，循环癌细胞通过 PGC-1α 和线粒体生物合成增强 OXPHOS 并增加 ATP 产生47。 此外，研究还表明，癌细胞中的线粒体可以利用多种代谢途径，例如葡萄糖氧化、脂肪酸 β-氧化 (FAO) 和谷氨酰胺氧化，为电子传递链 (ETC) 提供燃料以产生 ATP69。 癌细胞的这种代谢灵活性可以产生化疗耐药性，并支持肿瘤复发和转移进展68,70。 有趣的是，在转移性肿瘤中，线粒体基因表达增加，并与患者较差的总生存率和不良预后相关71,72,73。 由于线粒体功能在转移中的重要性，已经提出了针对 TCA 和 OXPHOS 的策略，体外模型产生了有希望的结果，但在临床中仅取得了有限的益处13,74。 这些影响的部分原因是在临床前模型中，抑制剂的浓度极高，除了超出 FDA 临床研究允许的浓度外，还可能代表临床水平的毒性作用13。 一般来说，结合其他治疗策略，例如化疗与自噬抑制或线粒体代谢，比单独给药显示出更好的结果69,75。 因此，我们描述了在三阴性乳腺癌细胞中通过调节自噬来调节癌细胞代谢或通过自噬和/或 OXPHOS 抑制来防止瘦素诱导的细胞迁移的可能性。

肥胖是乳腺癌的一个重要危险因素，影响其发病率、预后和死亡率，特别是与绝经状态有关。 肥胖还与化疗药物的有效性降低以及手术和放疗相关并发症的风险增加有关76。 肥胖与抗肿瘤抵抗之间的一个重要分子联系是瘦素分泌增加，它可以影响乳腺癌细胞的内在分子特征并影响患者的治疗反应76。 由于瘦素介导的信号传导在肥胖相关癌症中的作用，已经设计了几种治疗剂来调节瘦素级联，例如瘦素受体和瘦素拮抗剂35。 然而，这种治疗方法的效果仅在临床前研究中进行了测试，并取得了令人满意的结果，但尚未在乳腺癌患者中进行临床试验35。 在这种情况下，我们的数据表明，瘦素诱导了受自噬调节的代谢变化，这些变化与细胞迁移和侵袭能力的增加有关。 我们不会放弃这些变化可能是瘦素赋予治疗耐药性的机制，特别是因为文献强烈支持自噬和代谢在多种癌症耐药机制中的作用77。 因此，靶向自噬与治疗相结合以阻止癌细胞代谢重编程可能是克服肥胖患者治疗耐药性的一种可能策略。 然而，抗肿瘤治疗的最佳使用，特别是针对肥胖女性的自噬治疗，需要进一步评估，因为有关治疗方案、体重指数和结果的数据尚无定论，并且在某些情况下，自噬抑制可能会促进致瘤EMT 等特征8。

总之，在这项研究中，我们证明自噬调节瘦素诱导的不同生物反应。 在 ER+/PR+ 癌细胞中，瘦素增加自噬，促进增殖和瘦素增强的线粒体代谢，可能用于维持增殖和细胞迁移。 此外，在三阴性乳腺癌细胞中，自噬调节线粒体代谢、糖酵解 ATP 产生以及瘦素增强的细胞迁移和侵袭。 我们的数据首次表明，抑制自噬和 OXPHOS 可以避免暴露于瘦素的高度侵袭性细胞的迁移能力，并有助于强调代谢变化及其调节剂（如瘦素或自噬）在肥胖相关癌症中的重要性。

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2024-01-16 16:29:33
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