LONP1在常见恶性肿瘤中表达和作用的研究进展

李金晶 黄小圆 陈 菁 葛红山

线粒体稳态是维持细胞正常生理活动的关键，该稳态主要通过对线粒体相关的溶酶体，线粒体自噬，蛋白酶等物质的调节实现。本课题组对维持线粒体稳态的各类蛋白在精子、卵细胞、瘤细胞中的作用有一定的研究。而线粒体离子肽酶1(lon peptidase 1, mitochondrial，LONP1)是控制线粒体质量的主要蛋白之一，是位于19号染色体上的LONP1基因编码的蛋白质，由963个氨基酸组成，相对分子质量为106kDa，经加工成熟后成为线粒体基质蛋白，相对分子质量为100kDa[1]。LONP1具有识别、水解线粒体中已经损伤或氧化的蛋白质，还具有分子伴侣、维持线粒体DNA稳定等作用[2]。LONP1在人体器官和组织中广泛表达，在肝脏、脑、心脏、骨骼肌、胎盘等代谢旺盛的组织中表达较高，在肺、肾脏、胰腺等器官中的也有较低的表达。

线粒体功能障碍是癌症生物学的标志性现象，该现象可能是肿瘤组织中线粒体的能量代谢从有氧呼吸向需氧量更少的糖酵解过程转化的原因之一[3]。 Gillies等研究发现LONP1在一些进展性的肿瘤中都有高表达，并且主要存在于以缺氧和营养供应不足为特征的广泛缺氧区内，故而推测LONP1可能是通过影响肿瘤细胞中线粒体代谢从而影响肿瘤的增殖、侵袭、迁移等生物学行为[3，4]。LONP1对线粒体稳态的维持至关重要，近年来有大量研究报道了LONP1在神经性障碍、心脏疾病、运动系统疾病、衰老等方面的作用，在恶性肿瘤中的研究也日益增多，且在不同肿瘤中，LONP1的作用也有不同，故本文就目前LONP1在结肠癌、黑色素瘤、胃癌、宫颈癌等常见恶性肿瘤中的研究进行综述[5～8]。

一、LONP1在结肠癌中的表达和作用

Gibellini等[9]研究发现，结肠癌RKO细胞中LONP1的表达量是正常结肠上皮细胞的15倍。Jorissen等[10]通过对64例LONP1高表达(≥25%)和LONP1低表达(<25%)的结肠癌患者进行临床预后追踪，并绘制卡普兰-生存曲线后发现，LONP1高表达的结肠癌患者的生存率较低。

Quiros等[11]检测了多种人结肠癌细胞系(HCT116、HCT15、HT29、 SW480、SW620、DLD-1、RKO)和结肠上皮细胞(FHC细胞系)以及正常的结肠组织、结肠腺瘤组织、结肠癌组织中的LONP1水平，发现LONP1在所有的结肠癌细胞中的表达均高于正常结肠上皮细胞，结肠腺瘤组织、结肠癌组织中的表达亦高于正常组织，且在结肠癌中尤为明显。进一步构建LONP1缺失的小鼠模型，发现LONP1缺失的纯合子(LONP1-/-)在体内和体外胚胎培养中均不能存活，杂合子(基因型为LONP1+/-)小鼠则能够跟野生型小鼠一样正常生长发育生殖，这使得利用LONP1杂合子小鼠研究癌症易感性成为可能。用甲烷(AOM)和右旋糖硫酸盐诱导野生型小鼠和杂合小鼠罹患结肠癌，发现野生型小鼠结肠癌罹患率为100%，而杂合子小鼠结肠癌的罹患率是72%，与杂合小鼠相比，野生型小鼠的结肠长度也较短，说明单倍剂量不足的LONP1能够抑制肿瘤的形成。用MTT法检测发现下调LONP1可使结肠癌细胞增殖率明显下降。在裸鼠皮下接种LONP1下调、LONP1上调、以及普通的HCT16细胞，构建异位结肠癌模型，发现LONP1下调组小鼠的肿瘤生长速度较对照组明显减慢，上调组裸鼠的肿瘤生长明显加快，表明LONP1可以促进结肠癌细胞的增殖和肿瘤的生长。以上研究均提示LONP1可能在结肠癌的发生、发展中起到至关重要的作用。

金冬林等[12]通过免疫组织化学技术检测90例结肠癌组织和90例癌旁组织中LONP1的表达情况，发现LONP1在结肠癌组织中的表达阳性率达100%，而在癌旁组织中仅为6.7%。进一步分析免疫组化结果，发现LONP1 的表达与肿瘤浸润深度、TNM 分期、淋巴结转移相关。随访90 例患者，用Kaplan-Meier法进行生存期单因素分析，进行Log-rank检验后发现癌组织中 LONP1 低表达者生存率(56.188%)高于 LONP1 高表达者(42.878%)，表明LONP1 蛋白表达水平影响结肠癌的分化程度和患者预后。

二、LONP1在黑色素瘤中的表达和作用

Talantovl等通过检测人黑色素瘤、初始阶段痣，以及正常皮肤组织内的LONP1水平发现，黑色素瘤内的LONP1水平较普通痣和正常皮肤组织都明显增高[10]。临床结果研究也显示黑色素瘤的预后复发率与LONP1的水平呈正相关。Quiros等[11]发现下调小鼠B16F10 黑色素瘤细胞LONP1水平可使该细胞增殖率明显降低。用高转移性的黑色素瘤细胞进行小鼠的实验性肺转移试验， LONP1下调组的肿瘤转移数量较对照组降低了近10倍，相反LONP1过表达组的转移数量则明显增加。说明LONP1对黑色素瘤细胞的增殖和转移有十分重要的作用。另外，LONP1下调和上调组黑色素瘤细胞中的ATP产生量、基础耗氧量均降低，而葡萄糖消耗量和乳酸产生量增加，表明上调组和下调组均存在有氧呼吸作用的减弱以及糖酵解活动的增加，但是下调组和上调组线粒体复合物增加的种类和数量各有不同，推测代谢的变化是通过不同机制发生的。Quiros等[11]研究认为，LONP1下调组线粒体复合物的变化是由于线粒体功能发生紊乱，而上调组的各种线粒体复合物的变化是一种癌细胞的自我保护行为。进一步观察其他的线粒体参数发现，LONP1下调组黑色素瘤细胞的线粒体膜电位和线粒体DNA的容量均减少，而线粒体碎片和ROS的产量增加，表明LONP1的下调确实可使癌细胞线粒体功能发生紊乱。LONP1下调组中的抗凋亡蛋白Bcl-2的水平较上调组明显降低，LONP1上调组中衰老细胞的阳性率较对照组明显降低，表明LONP1可抑制细胞凋亡和衰老。

Bogunovic等[13]对27例LONP1高表达(≥25%)的黑色素瘤患者和LONP1低表达(<25%)的患者进行临床预后追踪，绘制卡普兰-生存曲线发现，LONP1高水平的黑色素瘤患者的生存率较低，生存时间更短。

三、LONP1在胃癌中的表达和作用

Luo等[14]检测了慢性胃炎细胞和胃腺癌细胞的线粒体相关蛋白及其基因的变化，发现在慢性胃炎细胞和胃腺癌细胞中LONP1的表达水平均明显高于正常组，增加量分别约为9.9倍和6.6倍。

幽门螺杆菌(helicobacterpylori，Hp)是胃癌发生的高危因素[15]。研究显示Hp可增加胃癌细胞内ATP和线粒体DNA的水平，高水平的Hp感染可损伤线粒体的呼吸作用，包括细胞氧耗量、电子传递等[16]。而正常水平的LONP1可以在各种压力下修复线粒体功能，因此学者认为Hp介导的LONP1水平的增加可能是Hp诱导胃癌发生的原因之一[11,17]。分别调节感染和未感染Hp的胃癌细胞中LONP1的表达水平发现，下调未感染Hp的胃癌细胞中LONP1的表达可使细胞的耗氧量下降，而下调感染Hp的胃癌细胞中LONP1的表达可使细胞的基础耗氧量及最大耗氧量均明显下降，ATP及线粒体DNA水平亦明显降低[14]。物质代谢方式从氧化磷酸化转向糖酵解是肿瘤细胞能量代谢的一大特点[18]。研究表明不同处理的胃癌细胞糖酵解相关物质的表达量不同，经Hp感染且LONP1上调的胃癌细胞中的葡萄糖渗入量和乳酸产生量的增加最为明显，在仅感染Hp的胃癌细胞也有明显增加，而Hp感染且LONP1下调的胃癌细胞的这两个指标则明显下降[14]。以上结果表明LONP1对Hp相关的胃癌细胞的线粒体活动有十分重要的作用。用低感染复数(MOI=50)Hp感染LONP1下调的胃癌细胞可使生长和增殖率明显降低，而未经Hp感染，仅上调LONP1水平就可使胃癌细胞的生长和增殖率明显增加[14]。说明LONP1在Hp感染所致的胃癌细胞的过度增殖中有重要作用。

四、LONP1与宫颈癌等其他恶性肿瘤

Nie等[19]检测了30例宫颈癌组织和10例正常宫颈组织的LONP1水平，用ImagePro Plus软件分析得出两组的IOD值分别为4.47±2.07和7.19±2.52，差异有统计学意义。检测16例新鲜的宫颈癌组织及相应癌旁组织的LONP1水平，发现宫颈癌组织的LONP1水平明显高于对应的癌旁组织。进一步观察LONP1下调的宫颈癌HeLa细胞的生物学行为发现，下调LONP1可使宫颈癌HeLa细胞的细胞活性和生长速率均明显下降。细胞克隆实验也显示LONP1下调组细胞增殖速率显著低于未下调组，且克隆团的大小也较未下调组小得多。Bayot等[20]检测了LONP1下调后的宫颈癌HeLa细胞中的ROS水平，发现LONP1下调使宫颈癌HeLa细胞中的ROS产生量升高，ROS相关的羰基化蛋白也随之增加，研究者认为LONP1可能通过维持宫颈癌细胞内ROS的稳定来维持线粒体功能的稳定。

另外，研究表明LONP1与膀胱癌、淋巴癌、肺癌等恶性肿瘤的发生也密切相关。例如，Liu等[21]研究发现，多种膀胱癌细胞系(ScaBER、UM-UC-3、SW780、J82、T24)中LONP1的表达水平均较正常的膀胱细胞明显增加。免疫组织化学染色法结果显示，膀胱癌组织中LONP1的表达显著高于癌旁组织，且其表达水平与膀胱癌的分化程度相关，分化程度越低表达量越高，LONP1的表达还与膀胱癌原发肿瘤、组织学类型及TNM的分期相关。研究发现下调膀胱癌细胞内LONP1水平可使细胞增殖力和ROS水平明显降低，故Liu等[21]推测LONP1下调后细胞增殖受到抑制可能是由于ROS降低所致。流式细胞仪检测表明，下调LONP1可使膀胱癌细胞凋亡明显增加，而这一现象与蛋白质印迹法(Western blot,WB)检测的凋亡相关蛋白PARP和caspase-3的增加相一致。在淋巴瘤中，Bernstein等[22]研究发现淋巴瘤活检组织、淋巴瘤细胞系、大部切除的脾组织(来自淋巴瘤患者)、恶性胸腔积液中的恶性弥漫大B细胞淋巴瘤细胞中LONP1的表达都较正常外周淋巴细胞、正常淋巴组织明显增高。在淋巴癌granta细胞中加入LONP1的抑制剂，用电子显微镜分析细胞内结构，发现胞内有含明显致密线的线粒体包涵体(是凋亡相关蛋白被激活的线粒体表现)，LONP1下调后淋巴瘤细胞的死亡率显著增高，增值速率明显降低。说明LONP1对于淋巴瘤细胞的凋亡、增殖、生存有十分重要的作用。 obtusilactone A 和(-)-sesamin是强有力的LONP1的抑制剂，Wang等[23]研究发现，obtusilactone A 和(-)-sesamin可使肺癌NSCLC 细胞内LONP1水平、线粒体顺乌头酸水平下降，细胞的增殖和生长受到抑制，凋亡相关蛋白caspase-3水平上升，细胞死亡率增加，因此他们认为LONP1蛋白的增加可能是肺癌发生、发展的重要一步。

五、展 望

综上所述，LONP1在多种常见恶性肿瘤中表达增加，改变LONP1的表达量能引起恶性肿瘤生物学行为、线粒体功能的变化。恶性肿瘤患者LONP1的表达量与其预后和生存时间相关。LONP1抑制剂也被证明有显著的抗肿瘤作用。除了前文提到的LONP1抑制剂obtusilactone A 和(-)-sesamin之外，三萜类化合物CDDO及其衍生物CDDO-ME是LONP1抑制剂领域的研究热点。研究表明CDDO可以通过沉默LONP1而后介导线粒体蛋白聚集，从而诱导淋巴瘤细胞死亡，这一现象为LONP1作为淋巴瘤治疗的靶点提供了证据[22]。Gibellini等[2]用CDDO和 CDDO-ME作用于RKO细胞，发现细胞凋亡明显增加，而在正常细胞或者未转化的细胞中加入CDDO和CDDO-ME则没有此现象，这一结果为CDDO和CDDO-ME成为良好的抗癌药物增加了优势。虽然LONP1抑制剂在临床的应用尚需进一步研究，LONP1可否作为肿瘤早期筛查的标志物也有待进一步验证，但相信随着对LONP1蛋白及其信号通路调控机制研究的深入，将为恶性肿瘤的诊断和治疗提供新思路。