科研 | 武汉大学: 探究OMA1代谢重组驱动结直肠癌的发展
编译：胜寒，编辑：Tracy、江舜尧。
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由于不可逆的线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）缺陷，许多癌细胞有氧糖酵解十分活跃，这种现象被称为瓦博格（Warburg）效应。但是由于大多数癌细胞都存在OXPHOS，所以该说法的准确性还有待商榷。目前，癌细胞如何协调糖酵解和OXPHOS仍然未知，在本文中，作者证明了应激激活的线粒体蛋白酶OMA1，通过驱动代谢重编程促进结直肠癌的发展。在AOM/DSS和移植小鼠结直肠癌模型中，OMA1基因敲除抑制结直肠癌的发生。OMA1 OPA1轴被缺氧激活，增加线粒体ROS以稳定HIF-1α，从而促进结直肠癌细胞的糖酵解；另一方面，在低氧条件下，OMA1耗竭促进NDUFB5、NDUFB6、NDUFA4和COX4L1的积累，说明OMA1抑制结直肠癌中OXPHOS的作用。因此，该项研究结果揭示了OMA1在糖酵解和OXPHOS之间协调促进结直肠癌的发展，并突出了OMA1作为结直肠癌治疗的潜在靶点。
论文ID
实验设计
实验结果
1.OMA1在人类结直肠癌中表达上调，并在缺氧条件下被激活
众所周知，线粒体功能障碍有助于结肠直肠癌的发生发展。线粒体蛋白酶OMA1是一种线粒体压力传感器，调节线粒体功能和稳态，根据这些信息，作者决定探索OMA1与结直肠癌之间的关系。作者首先研究了OMA1在结直肠癌患者中的作用，他对人类结直肠癌样本的公共数据集进行了生物信息学分析，结果表明，与正常样本相比，肿瘤样本中OMA1的mRNA表达明显升高(图1A)。接下来，作者使用公共数据库分析了OMA1表达与患者生存率之间的关系，同样发现，OMA1 mRNA的高表达与较短的生存时间显著相关(图1B)。由于OMA1可以在S1位点降解或切割OPA1，作者采用Western blotting分析结直肠癌标本中OPA1的处理过程。与周围正常组织相比，结直肠肿瘤显示出明显增加的OPA1降解或加工(图1C)，说明OMA1在结直肠肿瘤中被激活(图1C)，这可能是受到肿瘤微环境影响的结果。与之前的研究一致，在缺氧的情况下OPA1的处理增强，Western blotting数据显示，OPA1在对照细胞中被加工和降解;然而，在OMA1 KO细胞中受到抑制(图1D)，表明缺氧激活OMA1来调节OPA1的加工和降解。与此同时，OPA1 KO MEFs稳定表达只有OMA1才能加工的OPA1亚型1，缺氧后显示出更多的OPA1亚型1裂解(图1E)，进一步证实了OMA1是被缺氧激活的。
此外，作者的研究表明，缺氧激活的OMA1可能反过来导致OMA1的降解和裂解(图1D、F和G)。OMA1 E324Q在缺氧条件下(48 h)仍轻度降低(图1F和G)，说明OMA1在缺氧条件下可以被其他一些蛋白酶降解或剪切。作者的发现与最近的报道一致，即缺氧时，OMA1被Yme1L降解，因此，OMA1可能与Yme1L在缺氧条件下协同降解OMA1。这些结果表明，OMA1降解也可能作为一个终止信号，以防止缺氧条件下无限的OMA1激活，这可能是一个关键的负反馈，以调节OMA1活性。
图1 OMA1在人类结直肠癌中表达上调，并在缺氧条件下被激活
A.结直肠癌组织(n = 105)与结直肠癌患者的邻近正常组织(n = 43)的OMA1 mRNA相对水平。B.Kaplan Meier曲线用于分析和比较高、低OMA1水平的结直肠癌患者样本。C.Western blotting分析结直肠癌患者肿瘤(T)和邻近正常组织(N)的裂解液。D.对照组和OMA1 KO HCT116细胞在缺氧(1% O2)中培养0(常氧)，24，或48小时。然后用抗OPA1, OMA1或β-Actin抗体的Western blotting检测细胞裂解液。E.将表达对照(空载体)或表达OPA1亚型1的小鼠胚胎成纤维细胞(mef)在常氧或缺氧(1% O2)中培养24小时。用抗OPA1或抗微管蛋白抗体进行细胞裂解液Western blotting分析。F.WT, OMA1 KO和OMA1 KO HCT116细胞表达WT OMA1(OMA1 Flag)或蛋白溶解活性OMA1(E324Q Flag)在低氧(1% O2)中培养0,24或48小时，用抗OMA1抗体和β-Actin的Western blot检测细胞裂解液。G.使用ImageJ软件对相对蛋白水平进行密度测定分析，并在缺氧0、24或48小时内定量OMA1 Flag/β-Actin或E324Q Flag/β-Actin的比例。
2.OMA1基因敲除抑制AOM/DSS诱导的小鼠结直肠癌的发生
为了研究OMA1在结直肠癌中的作用，作者通过敲除小鼠OMA1基因组DNA外显子3构建了OMA1敲除小鼠模型(KO)。小鼠腹腔注射AOM 10 mg/kg, 1.5%DSS治疗3个周期诱导结直肠癌(图2A)，AOM/DSS模型利用化学诱导DNA损伤后重复循环结肠炎症。致瘤诱导后，作者于第105天对所有小鼠实施安乐死，每只小鼠取肠子。与WT小鼠相比，OMA1 KO小鼠在DSS处理期间体重下降较少(图2B)，与野生型小鼠相比，OMA1 KO小鼠结肠直肠长度更长(图2C和D)，说明OMA1 KO小鼠对DSS诱导结肠炎的敏感性低于WT小鼠。如图2E和F所示，与野生型小鼠相比，OMA1 KO小鼠的结肠肿瘤数量明显减少，大部分肿瘤位于肠远中段，结肠肿瘤数量也明显减少；病理定量证实，OMA1 KO小鼠肠道内不同大小肿瘤的数量明显减少(图2G)，这些数据表明，OMA1 KO抑制结直肠癌的发生。有趣的是，与对照组相比，OMA1 KO小鼠的肠道出现大肿瘤的频率更低(图2H)，表明OMA1 KO能够阻止结直肠癌的进展。组织学分析一致显示，WT小鼠肠道腺瘤为高级别异常增生，且有较严重的炎症浸润，而OMA1 KO小鼠肠道腺瘤大多为低级别异常增生(图2I)；此外，在AOM/DSS治疗后，与对照组相比，OMA1缺乏导致促炎因子Tnfα, Il6, Cox2, and Ccl2 mRNA水平降低(图2J)，暗示OMA1调控AOM/DSS诱导的炎症反应，这与AOM/DSS诱导的大肠癌有关，而OMA1 KO小鼠结肠肿瘤的增殖率显著降低，Ki-67核染色也检测到了这一点(图2K)。综上所述，作者的研究结果表明，在AOM/DSS小鼠模型中，OMA1缺陷抑制结直肠癌的发生。
然后，作者评估了OMA1在裸鼠结直肠肿瘤生长中的作用。通过裸鼠皮下注射对照OMA1 KO HCT116细胞，作者建立了小鼠异种移植瘤模型，OMA1 KO显著抑制HCT116异种移植肿瘤的生长，表明OMA1敲除抑制了HCT116裸鼠异种移植肿瘤的发展。总之，作者的研究结果表明，OMA1促进小鼠结直肠癌的发展。
图2 OMA1基因敲除抑制AOM/DSS诱导的小鼠结直肠癌的发生
A.AOM/DSS程序的示意图。B.WT和Oma1 KO小鼠在AOM/DSS治疗期间的体重变化。C.小鼠安乐死后第105天的典型肠道图像。D.测量WT和Oma1 KO小鼠的结直肠长度(C)。E.WT(左)和Oma1 /(右)小鼠结肠直肠癌的代表性图像。F.测量WT和Oma1 KO小鼠的肿瘤数量。G.H.显示每只小鼠中不同大小(直径)的肿瘤数量(G)和不同大小肿瘤的分布(H)。I.苏木精和伊红(H&E)染色对WT和Oma1 KO小鼠的结直肠癌进行组织学分析。J.AOM/DSS处理的WT和Oma1 KO小鼠结直肠匀浆中促炎基因(Tnfα、Il6、Cox2和Ccl2)的相对mRNA表达水平K.对WT和Oma1 /小鼠的结直肠组织进行Ki67染色。
3.OMA1 OPA轴促进缺氧下的糖酵解
代谢重编程在肿瘤发生中起关键作用，糖酵解（而不是OXPHOS）主要有助于癌细胞ATP的产生。在此基础上，作者研究了OMA1在能量代谢中的作用。
从技术层面上，作者评估了在常氧和缺氧条件下，OMA1耗竭对结直肠癌细胞能量代谢的影响。结果显示，对照组和OMA1 KO HCT116细胞暴露于常氧条件下(图3A和B)，糖酵解代谢无显著差异，与既往研究一致，缺氧促进了所有HCT116细胞的糖酵解，其特征是葡萄糖摄取增加和乳酸生成增加(图3A和B)，然而，与对照细胞相比，OMA1 KO在低氧条件下葡萄糖摄取和乳酸生成水平显著降低，而OMA1 KO细胞中OMA1 Flag的表达恢复了葡萄糖摄取和乳酸生成水平(图3A和B)，表明OMA1促进了低氧条件下的糖酵解。考虑到OMA1可能参与了肿瘤生物能量学，作者通过使用二甲氧基甘氨酸(DMOG)处理或未处理的细胞外酸化率(ECAR)来实时分析这些细胞的糖酵解活性。结果表明DMOG导致对照HCT116细胞基底糖酵解明显增加，而在OMA1 KO细胞中则无明显增加(图3C)。定量分析显示，与OMA1 KO HCT116细胞相比，对照HCT116细胞显示出更高的最大糖酵解能力(图3D)。这些数据表明，OMA1缺乏症抑制缺氧条件下的糖酵解代谢。
基于缺氧条件下OMA1对OPA1进行处理或降解的结果(图1D和E)，作者研究了OMA1 OPA1轴在结直肠癌细胞代谢重编程中的作用。作者将HCT116细胞或MEFs在含半乳糖或2-脱氧-D-葡萄糖(2- DG)的培养基中培养24小时，发现OPA1 KO使HCT116细胞或MEFs在葡萄糖剥夺或使其在2 -DG处理下非常脆弱(图E)，这表明，OPA1缺乏使细胞更依赖糖酵解来生存。与此同时，在正常条件下，OMA1敲除也促进乳酸生成、葡萄糖摄取和ATP生成的减少，而在2- DG或缺氧处理下则没有影响(图3E和H)，这些结果表明，OMA1可能通过调节OPA1促进结直肠癌细胞的糖酵解。总的来说，OMA1 OPA1轴可能促进缺氧条件下结直肠癌细胞的糖酵解，因此，OMA1敲除可能通过本研究所述的代谢机制促进肿瘤发生增强。
图3 OMA1 OPA轴促进缺氧下的糖酵解
A, B. 对照或表达对照(空载体)或OMA1标记的KO HCT116细胞在常氧或缺氧(1% O2)中维持24小时。用酶标仪测量葡萄糖摄取(A)和乳酸生成(B)。C.对照和OMA1 KO HCT116细胞用DMSO或1mM DMOG在新鲜培养基中处理12小时。随后按指示注射葡萄糖、寡霉素(Oligo)和2脱氧葡萄糖(2 DG)。用海马细胞外通量分析仪XF96测定细胞外酸化率(ECAR)。D.基础和最大糖酵解能力的定量分析。E,F.在DMSO或2-DG处理下，在control或OPA1 KO HCT116细胞中测量E, F.乳酸产生量(E)和ATP产生量(F)。G, H.对照或OPA1 KO HCT116细胞维持在常氧或缺氧(1% O2) 24小时，测量葡萄糖摄取(G)和乳酸生成(h)
4.OMA1通过增加线粒体中ROS的产生来稳定缺氧状态下的HIF-1α
由于HIF-1α是一种主要的转录因子，以O2依赖的方式调节，并且是癌症中糖酵解的关键调节因子，作者想知道OMA1是否在缺氧条件下调节HIF-1α。结果表明，低氧诱导对照组HCT116细胞HIF-1α水平显著升高，然而，缺氧可显著抑制OMA1 KO HCT116细胞中HIF-1α的上调(图4A)。同样，OMA1 KO在COCl2处理的细胞中HIF-1α的稳定性被破坏(图4B)，并通过抑制PHD酶(氧传感器)稳定HIF-1α蛋白；此外，在低氧条件下，参与糖酵解途径并直接受HIF-1α调控的HK2、LDHA、PKM2和GPI蛋白水平显著低于对照组细胞(图4A)。这些数据进一步表明，OMA1可能通过稳定缺氧条件下HIF-1α蛋白促进糖酵解作用。
接下来，作者计划研究OMA1在低氧条件下调节HIF-1α的机制，已知该机制被ROS稳定并激活，因此，作者研究了OMA1对ROS生成的影响。为了分析小鼠肠道内的ROS水平，作者用ROS响应染料二氢乙二胺(DHE)对肿瘤和邻近的正常组织进行了染色，结果显示，与野生型小鼠相比，OMA1 KO小鼠肿瘤或邻近正常组织的肠道内ROS水平显著降低(图4C和D)；同时，作者还检测了常氧和低氧条件下HCT116细胞中的线粒体ROS (mtROS)，而在缺氧和正常缺氧条件下，OMA1 KO HCT116细胞的线粒体ROS水平显著低于对照组细胞(图4E和F)，这些数据表明，OMA1耗损显著降低了结直肠肿瘤中mtROS的生成。然后，作者研究了OMA1调控的mtROS在HIF-1α稳定性中的作用：缺氧条件下，与DMSO处理相比，Rotenone (ROS诱导剂)处理显著提高了对照组和OMA1 KO细胞中HIF-1α蛋白水平，而NAC (ROS清除剂)处理抑制了缺氧诱导的HIF-1α蛋白水平的上调(图4G)。这些数据表明，OMA1 KO通过调节ROS的生成抑制缺氧诱导的HIF-1α上调；此外，鱼藤酮处理促进缺氧条件下OMA1 KO细胞乳酸生成和葡萄糖摄取，但NAC处理降低了对照组和OMA1 KO细胞的乳酸生成和葡萄糖摄取(图4H和I)。这些结果表明，缺氧条件下OMA1介导的ROS生成是HIF-1α上调和糖酵解所必需的。
图4 OMA1通过增加线粒体中ROS的产生来稳定缺氧状态下的HIF-1α
A.对照组和OMA1 KO HCT116细胞在常氧或缺氧(1% O2)中培养24或48小时。用抗HIF 1α、HK2、LDHA、PKM2、GPI、OMA1或β-Actin的抗体进行Western blotting分析整个细胞裂解液。B.对照或OMA1 KO Hela细胞未经处理()或CoCl2处理(+)24小时，10 mM Mg132或加入载体4小时。细胞裂解液通过Western blotting检测，抗体为HIF -1α或β-Actin。C.对WT和Oma1 KO小鼠结肠组织进行二氢乙铥(DHE)染色。D. DHE染色的定量。E.对照或OMA1 KO HCT116细胞在常氧或缺氧(1% O2)中培养12小时后，用mitoSOX染色，然后用共聚焦显微镜分析。F.利用ImageJ软件进一步分析mitoSOX的荧光强度。G .对照或OMA1_KO HCT116细胞在常氧或缺氧条件下培养12 h，同时用DMSO、NAC或鱼藤酮处理12 h。
5. 线粒体呼吸链复合物组分NDUFB5、NDUFB6、COX4L1和NDUFA4可能是OMA1的蛋白水解底物
Warburg效应主要包括两个内容：(1)增加癌细胞糖酵解的比例；(2)减少癌细胞线粒体氧化磷酸化的比例。OMA1 KO抑制Warburg效应(图3A和D)，减少线粒体电子传递链中mtROS的产生(图4C和F)，暗示OMA1与线粒体氧化磷酸化有关，因此，作者研究了OMA1在线粒体氧化磷酸化系统中的作用。与对照细胞相比，OMA1 KO HCT116细胞线粒体细胞色素c氧化酶活性增加，在OMA1 KO细胞中表达OMA1后恢复，暗示OMA1调控线粒体呼吸链复合体。由于OMA1是位于线粒体内膜的线粒体蛋白酶，作者假设线粒体呼吸链复合物的某些组分是OMA1的蛋白水解底物。作者使用标记的OMA1突变体，其中HEXXH基序的谷氨酸残基被谷氨酰胺(E324Q)取代，以阻断OMA1蛋白酶的活性进而鉴定OMA1的新底物。作者在293T细胞中过表达OMA1 E324Q Flag，并进行共免疫沉淀(co-IP)，随后进行质谱分析，发现线粒体呼吸链复合物中有4个组分与OMA1相互作用，包括NDUFB5、NDUFB6、COX4L1和NDUFA4(图5A D)。NDUFB5和NDUFB6是NADH脱氢酶(线粒体呼吸链复合体I)的亚基，COX4L1和NDUFA4是细胞色素c氧化酶(线粒体呼吸链复合体IV)的组成部分。为了检测NDUFB5、NDUFB6、COX4L1和NDUFA4是否为OMA1蛋白水解底物，作者用CCCP处理表达OMA1标志的OMA1 KO HCT116细胞，该细胞破坏线粒体膜电位，强烈激活OMA1。值得注意的是，作者发现过表达OMA1或CCCP处理显著促进了COX4L1和NDUFB6的降解(图5E)，而CCCP处理也导致NDUFB5和NDUFA4水平显著降低(图5E)；此外，在环己酰亚胺(CHX，蛋白质合成抑制剂)以及CCCP处理后，NDUFB5、NDUFB6、COX4L1、NDUFA4蛋白水平在表达OMA1标志细胞的对照或OMA1 KO细胞中迅速降低，但在OMA1 KO细胞或稳定表达E324Q标记OMA1的OMA1 KO细胞中，这种下调被显著抑制(图5F)。这些结果表明，线粒体呼吸链复合物组分NDUFB5、NDUFB6、COX4L1和NDUFA4可能是线粒体蛋白酶OMA1的蛋白水解底物。
然后，作者研究了OMA1是否调控结肠直肠癌细胞中这些蛋白的稳定性。缺氧HCT116细胞中NDUFB5、NDUFB6、COX4L1和NDUFA4蛋白水平显著降低(图5G)，表明线粒体呼吸链复合体在缺氧条件下发生失稳；然而，OMA1 KO挽救了缺氧诱导的这些蛋白的减少(图5G)，这些数据表明，OMA1在低氧条件下可以降解NDUFB5、NDUFB6、COX4L1和NDUFA4。综上所述，线粒体呼吸复合物组分NDUFB5、NDUFB6、COX4L1和NDUFA4可能是线粒体蛋白酶OMA1新的蛋白水解底物。
图5 线粒体呼吸链复合物组分NDUFB5、NDUFB6、COX4L1和NDUFA4可能是OMA1的蛋白水解底物
A.293T细胞瞬时共转染空载体和NDUFB5 MYC，或OMA1 E324Q Flag和NDUFB5 MYC。B.用空载体和NDUFB6 GFP或OMA1 E324Q Flag和NDUFB6 GFP瞬时共转染293T细胞。使用细胞裂解液与抗Flag M2亲和凝胶在4℃过夜共免疫沉淀，然后用针对Flag或GFP的抗体进行Western blotting。C.用空载体和COX4L1 GFP或OMA1 E324Q标记和COX4L1 GFP瞬时共转染293T细胞。用细胞裂解液与抗Flag M2亲和力凝胶在4℃过夜共免疫沉淀，然后用抗Flag或抗GFP抗体进行Western blotting。D.用空载体和NDUFA4 GFP或OMA1 E324Q Flag和NDUFA4 GFP瞬时共转染293T细胞。使用细胞裂解液与抗Flag M2亲和凝胶在4℃过夜共免疫沉淀，然后用针对Flag或GFP的抗体进行Western blotting。E.稳定表达对照(空载体)或OMA1标记的HCT116细胞，用对照或shOMA1 (OMA1敲除)慢病毒颗粒感染HCT116细胞5天，然后用DMSO或20 μm CCCP处理4小时。通过Western blotting分析细胞裂解液，使用抗NDUFA4、COX4L1、NDUFB5、DNUFB6、MT CO2、OMA1或微管蛋白的抗体。F.用CHX (100 g/ml) + CCCP (20 M)处理WT、OMA1 KO和OMA1 KO HCT116细胞，表达WT OMA1(OMA1 Flag)或蛋白溶解无活性OMA1(E324Q Flag)。然后用抗NDUFA4、COX4L1、NDUFB5、NDUFB6、OMA1或HSP60的抗体进行western blot检测细胞裂解液。G.对照或OMA1 KO HCT116细胞在低氧(1% O2)中培养0、24或48小时。用抗NDUFB5、抗NDUFB6、抗COX4L1、抗NDUFA4抗体或抗β肌动蛋白的Western blotting检测细胞裂解液。
6.OMA1在缺氧时损害线粒体呼吸链复合体的组装
氧化磷酸化系统是由一些大型线粒体呼吸链复合体I-IV和复合体V (ATP合成酶)组成的，需要线粒体基因组和核基因组编码的大量蛋白质进行协调组装。由于OMA1调节线粒体细胞色素c氧化酶活性，作者进一步研究了OMA1在氧化磷酸化中的作用：首先，作者研究了OMA1是否调控结直肠癌线粒体呼吸链复合体的完整性，OMA1 KO显著提高小鼠结直肠肿瘤线粒体呼吸链复合物I、II、IV和复合物V (ATP合酶)水平(图6A)，表明OMA1 KO可能在体内抑制结直肠肿瘤细胞线粒体呼吸链复合物的分解。考虑到缺氧肿瘤微环境激活OMA1，作者随后研究了缺氧对线粒体呼吸链复合体组装的影响，结果显示，缺氧降低了对照HCT116细胞线粒体呼吸链复合物I、II、IV和复合物V (ATP合酶)的组装，OMA1 KO抑制了缺氧诱导的复合物I和IV的减少(图6B)。这些数据表明，OMA1可能损害结直肠癌细胞线粒体呼吸链复合物的组装。
然后，作者探讨了OMA1如何破坏线粒体呼吸链复合物组装。由于作者发现线粒体呼吸链复合物I组分NDUFB5、NDUFB6和复合物IV组分NDUFA4和COX4L1可以被OMA1降解(图5)，作者随后研究了NDUFB5、NDUFB6、NDUFA4和COX4L1在线粒体呼吸链复合物组装中的作用。结果表明，NDUFB5或NDUFB6敲除使得线粒体呼吸链复合体I的部分组分(NDUFB5、NDUFB6、NDUFB8)失去平衡，但不影响复合体II组分SDHA和复合体III组分UQCRC2；此外，COX4L1敲除或NDUFA4敲除导致复杂IV关键成分MT CO2的显著减少；而NDUFB5或NDUFB6的敲除可使线粒体呼吸链复合体I的组装受损，COX4L1敲除或NDUFA4的敲除可导致线粒体呼吸链复合体IV的解体。接下来，作者分析了NDUFB5、NDUFB6、COX4L1和NDUFA4在体内的蛋白水平，与相邻正常组织相比，小鼠结直肠肿瘤中NDUFB5、NDUFB6、COX4L1、NDUFA4显著降低(图6C)，说明NDUFB5、NDUFB6、COX4L1、NDUFA4在结直肠肿瘤中是不稳定的；然而，OMA1 KO显著恢复了结直肠肿瘤中NDUFB5、NDUFB6、COX4L1和NDUFA4的降解(图6C)。这些研究结果表明，OMA1介导的NDUFB5、NDUFB6、COX4L1和NDUFA4的降解可能有助于结直肠肿瘤线粒体呼吸链复合体的解体。接下来，作者研究了NDUFB5、NDUFB6、COX4L1和NDUFA4在mtROS产生和糖酵解过程中的作用，结果表明，NDUFB5敲除、NDUFB6敲除、COX4L1敲除或NDUFA4敲除后HCT116细胞中mtROS、葡萄糖摄取和乳酸生成均显著增加，因此，在低氧条件下，OMA1可能介导NDUFB5、NDUFB6、COX4L1和NDUFA4的降解，损害线粒体呼吸复合体，从而增加mtROS生成和糖酵解。
综上所述，这些结果表明，OMA1可能通过降解或加工线粒体呼吸链复合物的某些组分，影响体内结直肠癌细胞线粒体呼吸链复合物的组装(图6D)。换句话说，OMA1在体内下调结直肠癌细胞的氧化磷酸化。
图6 OMA1在缺氧时损害线粒体呼吸链复合体的组装
A.从WT和Oma1 /小鼠的肿瘤(T)或邻近正常组织(N)中分离的线粒体,用抗NDUFB8(复合物I)、抗SDHA(复合物II)、抗COX4L1(复合物IV)和抗ATP5A1(复合物V, ATP合成酶)抗体进行呼吸链复合物的Western blotting分析。B.从对照和OMA1 KO HCT116细胞中分离线粒体，在常氧或缺氧(1% O2)条件下培养12 h，然后使用NDUFB8(复合物I)、SDHA(复合物II)、COX4L1(复合物IV)和ATP5A1(复合物V)抗体进行BN PAGE和免疫印迹分析。C.用抗NDUFA4、COX4L1、NDUFB5、DNUFB6、UQCRC2或微管蛋白的抗体Western blotting分析来自WT和Oma1 /小鼠的相邻正常组织(N)或肿瘤(T)的裂解液。D.线粒体应激传感器OMA1在结直肠癌发生发展过程中协调糖酵解和线粒体氧化磷酸化的模型。缺氧诱导OMA1活化，导致线粒体呼吸链复合物(mitochondrial respiratory chain complex,MRCC)组分和OPA1降解，嵴重构，从而抑制线粒体电子传递链(mitochondrialelectron transport chain, ETC)，产生线粒体ROS。升高的ROS可以稳定HIF1a，从而促进糖酵解。因此，OMA1通过协调糖酵解和氧化磷酸化促进Warburg效应，促进结直肠癌的发展。
讨论
线粒体是在多个生物学方面介导肿瘤发生的重要细胞器，包括代谢、生物能学、生物合成学、氧化应激、信号转导和细胞死亡调节。在本研究中，作者证明了线粒体应激传感器OMA1在结直肠癌发生发展过程中发挥重要作用，在AOM/DSS小鼠模型和移植瘤中，OMA1基因缺陷抑制结直肠肿瘤生长。作者还阐明了OMA1在缺氧条件下通过调节ROS生成、嵴重塑和线粒体呼吸链复合体组装来协调糖酵解和线粒体氧化磷酸化的机制。
OMA1是一种ATP依赖的锌金属蛋白酶，位于线粒体内膜，此前有报道在应激条件下通过自我切割激活，参与线粒体蛋白质量控制。在作者的研究中，生物信息学分析显示，在结直肠癌患者肿瘤中，OMA1表达上调，且OMA1表达上调与不良预后相关，而AOM DSS小鼠模型显示与WT小鼠相比，敲除OMA1的小鼠表现出更少和更低级别的结肠直肠癌，以及更少的体重变化。代谢重编程对肿瘤的发展有重要影响，肿瘤细胞对低氧和低营养条件表现出适应性反应，导致肿瘤细胞生物能量学发生变化。作者的数据表明，在缺氧或DMOG处理下，OMA1 KO抑制糖酵解代谢，而正常缺氧条件下对照组和OMA1 KO细胞之间没有显著差异；此外，缺氧条件下，OMA1缺乏可降低糖酵解相关蛋白的水平。有报道称，OPA1突变或缺失会损害线粒体氧化磷酸化，激活的OMA1调控OPA1的降解和处理，在此基础上,作者发现OPA1敲除使细胞更加依赖糖酵解，这些发现证明了OMA1 OPA1轴可能在结直肠肿瘤的发展过程中参与糖酵解的转变。
然后，作者研究了OMA1在结直肠癌发展过程中调节能量代谢变化的机制，肿瘤环境是不断变化的，缺氧是肿瘤生长过程中的关键微环境。HIF-1α是低氧胁迫下糖酵解的关键调控因子，通过转录调控编码糖酵解酶和葡萄糖转运蛋白的基因，数据表明，OMA1通过增加缺氧条件下ROS的生成来稳定HIF-1α，从而促进糖酵解。接下来，作者探索了OMA1在线粒体氧化磷酸化中的作用，因为线粒体呼吸链复合体和ATP合酶位于线粒体嵴中，使线粒体通过氧化磷酸化产生足够的ATP，结果表明，在结直肠癌的发展过程中，OMA1 OPA1轴促进线粒体嵴丢失，从而降低氧化磷酸化水平，以响应肿瘤微环境；此外，作者还发现线粒体呼吸复合物组分NDUFB5、NDUFB6、COX4L1和NDUFA4可能是线粒体蛋白酶OMA1新的蛋白水解底物。
由于低氧，线粒体ROS在缺氧下的形成较为复杂，主要由线粒体呼吸复合体I和III产生。在低氧条件下，OMA1可能通过降解NDUFB5和NDUFB6破坏线粒体呼吸复合体I的组装，然而，线粒体呼吸复合体I的减少可能对低氧导致的mtROS形成的损害作用不大；此外，NDUFB5、NDUFB6、COX4L1和NDUFA4的缺失增加了mtROS的产生，因此，缺氧条件下，激活的OMA1对NDUFB5、NDUFB6、COX4L1和NDUFA4的降解可能抑制了电子传递链，导致线粒体内mtROS产生的增加。
总的来说，OMA1作为肿瘤微环境的传感器，并在能量代谢重编程中发挥关键作用。它通过协调糖酵解和氧化磷酸化，促进Warburg效应，从而促进结直肠癌的发生，更重要的是，OMA1可以作为一个终止按钮，以调节线粒体缺氧条件下的代谢。此外，OMA1 KO细胞中轻度糖酵解缺乏、ROS减少以及OXPHOS底物的积累可能有助于抑制结直肠癌的发展。总之，该项研究结果表明，OMA1是预防或治疗结直肠癌的潜在靶点。