胶质瘤是最常见的原发性脑肿瘤，占中枢神经系统恶性肿瘤的78.3%。其中，胶质母细胞瘤（GBM）患者的生存率尤为严峻，仅有不到75%的患者能在确诊后存活超过13个月。既往研究揭示，线粒体呼吸嵴（MRC）的变化对于恶性肿瘤的演进具有高度敏感性，扮演着至关重要的角色。MRC通过氧化磷酸化(OXPHOS)过程提高了ATP的生产效率并加速了营养物质的氧化。这一过程中，MRC及其OXPHOS的动态变化成为驱动胶质瘤不断进展的关键因素，然而其机制尚不清楚。
2024年10月1日，第四军医大学（空军军医大学）基础医学院教学实验中心王亚云教授团队在国际医学研究期刊Journal of Experimental & Clinical Cancer Research杂志在线发表题为：Targeting DNM1L/DRP1-FIS1 axis inhibits high-grade glioma progression by impeding mitochondrial respiratory cristae remodeling的研究论文。该研究深入揭示了DNM1L/DRP1-FIS1轴阻碍MRC重塑并抑制GBM进展的机制，为恶性胶质瘤的治疗提供了一种有前景的治疗策略。
将近一个世纪前，奥托·沃伯格首次提出肿瘤细胞不是通过线粒体呼吸复合体提供的氧化磷酸化（OXPHOS）获取能量，而是通过糖酵解获取能量。然而，这一概念的有效性最近受到了质疑，许多研究表明，大多数肿瘤细胞的OXPHOS并没有像预期的那样受到抑制。相关研究显示，肝癌、胰腺癌、乳腺癌和胶质瘤等恶性肿瘤细胞的线粒体具有过度分裂的倾向，且肿瘤细胞的MRC呈显著活跃状态，这有助于恶性肿瘤的侵袭能力。鉴于该研究背景，该研究团队收集了54例脑胶质瘤临床组织样本，在透射电子显微镜下共捕获了276个具有完整细胞膜边界的肿瘤细胞，形成了包含7141个线粒体的数据集，并利用Mask R-CNN算法开发了一个线粒体识别的机器学习模型。研究发现，相较于低级别胶质瘤（LGG）, 高级别胶质瘤（HGG）中线粒体分裂趋势显著增强，同时伴有结构更完整的MRC（图1）。
图1.基于机器学习的透射电镜分析显示，与LGG相比，HGG的线粒体分裂趋势更明显，MRC状态更好（图源：Xiaodong Li, et al. J Exp Clin Cancer Res, 2024）
为了探索导致HGG线粒体分裂增强和MRC重构的潜在因素，该研究团队结合生物信息学分析和临床胶质瘤微阵列的多重免疫组织化学（mIHC）染色，筛选确定了线粒体动力相关蛋白 1（DNM1L/DRP1）及其两个受体线粒体分裂蛋白1（FIS1）和线粒体分裂因子（MFF）是HGG中MRC重构的关键调节因子（图2）。
图2.临床胶质瘤微阵列筛选的DRP1和FIS1的生物信息学分析和mIHC染色显示，随着HGG的进展，DRP1和FIS1的表达显著增强（图源：Xiaodong Li, et al. J Exp Clin Cancer Res, 2024）
随后，作者通过慢病毒转染调节DNM1L/DRP1后，利用CCK-8实验、Transwell实验、伤口愈合实验和小鼠荷瘤实验细胞评估DNM1L/DRP1对GBM细胞的增殖和进展的影响。这些结果表明，下调DNM1L/DRP1可抑制恶性胶质瘤细胞的增殖能力和迁移能力（图3）。
图3.降低DNM1L/DRP1会阻碍HGG的进展，而上调DNM1L/DRP1会促进HGG的进展（图源：Xiaodong Li, et al. J Exp Clin Cancer Res, 2024）
接下来，该研究团队利用Western blot和电镜实验发现，胶质母细胞中线粒体分裂与DNM1L/DRP1密切相关，且对其受体FIS1和MFF的表达产生截然相反的影响（图4）。同样地，作者调控FIS1和MFF后观察其对U87MG、U251MG和胶质母细胞瘤干细胞（GSCs）的增殖和进展的影响。研究结果发现，FIS1发挥着和DNM1L/DRP1相似的正向调节作用，而MFF与FIS1之间的相互作用则表现出竞争性抑制关系，发挥抑瘤效应。随后，作者利用Seahorse XF分析技术、线粒体功能检测和MRC充盈度分析发现，下调DNM1L/DRP1-FIS1轴通过影响MRC结构的稳定性和OXPHOS功能，显著抑制了HGG的进展。
图4.DNM1L/DRP1下调会导致FIS1表达减少，线粒体分裂受到抑制，而MFF表达增加。（图源：Xiaodong Li, et al. J Exp Clin Cancer Res, 2024）
参考以往线粒体质量调控的相关报道，作者发现HGG通过上调DNM1L/DRP1-FIS1轴，增强泛素依赖性线粒体自噬和非泛素依赖性线粒体自噬，从而显著增强MRC的功能和结构的稳定性。此外，它大大增强了HGG细胞的抗氧化应激能力。相反，MFF会产生相反的效果（图5）。
图5.抑制DNM1L/DRP1和FIS1显著抑制线粒体自噬（图源：Xiaodong Li, et al. J Exp Clin Cancer Res, 2024）
综上所述，该团队首次阐明了胶质瘤中不同模式的线粒体分裂、MRC重塑和OXPHOS之间的复杂关系，从而为治疗不同级别的胶质瘤提供了有价值的临床意义。具体来说，在胶质瘤中靶向下调DNM1L/DRP1-FIS1轴可以调节线粒体自噬，影响MRC的重塑和OXPHOS功能，最终抑制肿瘤的发生和进展（图6）。这些差异增强了我们对线粒体动力学和自噬调节机制之间复杂平衡的理解，也促使我们深入研究这些分子之间复杂的相互作用网络及其对胶质瘤细胞生物学行为的影响。这些发现对于阐明神经胶质瘤的发病机制以及确定新的治疗靶点具有重要意义。
图6.研究结果示意图（图源：Xiaodong Li, et al. J Exp Clin Cancer Res, 2024）本文的第一作者是第四军医大学2020级硕士研究生李晓东，共同第一作者分别为延安大学2022级硕士研究生铁静静、第四军医大学2018级八年制博士生孙毓泽和基础医学院计算机教研室教员宫成荣。通讯作者是第四军医大学教学实验中心王亚云教授，共同通讯作者是第四军医大学西京医院肝胆外科杨雁灵教授、神经外科郭庆东教授和基础医学院计算机教研室张国鹏教授。该研究得到国家自然科学基金面上项目、陕西省自然科学基础研究计划和西京医院助推计划的支持。
