文章题目：XQZ3, a Chlorella pyrenoidosa polysaccharide suppresses cancer progression by restraining mitochondrial bioenergetics via HSP90/AKT

发表期刊：International Journal of Biological Macromolecules

影响因子：8.2

通讯单位：上海海洋大学

通讯作者：Peipei Wang

        线粒体是细胞的代谢中心，肿瘤细胞又具有代谢异常的特征，这使得靶向线粒体成为抗肿瘤药物研发的新方向。热休克蛋白90 （HSP90）是一个广谱的抗肿瘤热门靶点，抑制HSP90表达可同时影响多种致癌途径。现有研究证实，HSP90是癌细胞内线粒体代谢调节因子，在调节癌细胞中氧化磷酸化和有氧糖酵解之间的代谢转变中发挥关键作用，以应对肿瘤及其微环境中发生的能量变化。 HSP90已被确定为肿瘤坏死、自噬和铁死亡的共同调控枢纽。抑制 HSP90 通路是阻碍癌细胞线粒体能量代谢的一种可行方法，寻找靶向HSP90抑制剂是开发新型抗癌药物的一种有力的途径。近日，上海海洋大学食品学院王培培课题组报道，XQZ3，一种来源于蛋白核小球藻的酸性多糖可以通过靶向HSP90/AKT通路抑制线粒体生物能量抑制胰腺癌生长。

        作者首先以蛋白核小球藻为原料，采用水提醇沉的方法提取粗多糖，经过阴离子交换和凝胶层析纯化得到均一多糖XQZ3，进一步通过单糖组成、甲基化分析、TEM、FT-IR和NMR等手段初步阐明XQZ3结构。XQZ3分子量为29.13 kDa，是一种以Gal和Man为主，末端由Ara、Gal和Man组成的硫酸化酸性多糖。

图1 XQZ3 的制备及部分结构信息图谱

        体外活性筛选实验，作者首先采用CCK-8法测定XQZ3对11株癌细胞的增殖能力影响，发现XQZ3以剂量依赖的方式抑制不同类型肿瘤的生长，尤其对PDAC细胞（BxPC 3）表现出最高的敏感性，IC₅₀值为0.05026 mg/mL。为进一步验证，额外增加9个PDAC细胞系用于增殖测试。结果表明，XQZ3对10株胰腺癌细胞存在显著的抑制作用。此外，为进一步验证其抑癌活性，作者构建了胰腺导管腺癌衍生的类器官(PDOs)，证实XQZ3对pdac的抑制作用。

图2  XQZ3体外抑制癌细胞增殖作用

        作用机制研究方面，作者首先通过RNA-seq转录组分析比较XQZ3与PBS处理BxPC-3细胞的基因表达谱。基于KEGG和GO分析结果，结合RT-qPCR技术验证了XQZ3参与“凋亡”、“自噬”、“细胞增殖”和“线粒体功能”的关键基因的表达变化。这些结果表明XQZ3可以通过损害线粒体功能从而触发凋亡和自噬来抑制癌细胞增殖。

图3  RNA测序分析显示XQZ3诱导线粒体功能障碍

        进而，作者采用透射电镜(TEM)对XQZ3处理组和PBS处理组胰腺癌细胞超微结构比较分析。结果表明，XQZ3处理的细胞表现出大量线粒体形态异常，其特征是嵴排列不规则、空化或吞噬。线粒体功能障碍导致细胞色素C从线粒体释放，触发细胞质基质中的级联反应，最终导致自噬和细胞凋亡。进一步通过免疫荧光法检测XQZ3降低了癌细胞线粒体膜电位，并上调细胞色素C的表达和ROS的水平。这些发现证实，XQZ3具有诱导线粒体功能障碍的能力，从而导致癌细胞凋亡、自噬和ROS产生的激活。

图4  XQZ3诱导线粒体功能障碍

        作者通过测量了不同浓度XQZ3或PBS对照处理BxPC-3和SW1990胰腺癌细胞的耗氧量(OCR)和细胞外酸化率(ECAR)，进一步评估XQZ3对线粒体功能和细胞代谢的影响。研究发现XQZ3诱导BxPC-3和SW 1990细胞中基础呼吸、最大呼吸、ATP产生和备用呼吸能力的剂量依赖性降低，表明线粒体呼吸受损。此外，通过ECAR测量，发现XQZ3处理还降低了糖酵解和糖酵解能力。上述结果表明XQZ3以剂量依赖的方式抑制胰腺癌细胞的线粒体功能和糖酵解。

图5  XQZ3抑制线粒体生物能量学

            基于上述的RNA-seq和RT-qPCR结果提示，XQZ3可降低胰腺癌细胞中HSP90的表达。作者提出XQZ3可能直接结合膜HSP90并破坏下游Akt/mTOR信号通路假设。为了验证这一假设，作者通过SPR实验发现XQZ3与HSP90展现出高结合强度。此外，结合免疫荧光和Western blot进一步证实，XQZ3处理癌细胞后，HSP90的表达显著降低。结果表明，XQZ3破坏了HSP90与磷酸化的Akt之间的结合，从而阻碍了mTOR的磷酸化。综上所述，这些发现表明HSP90/Akt/mTOR通路是XQZ3诱导癌细胞线粒体功能障碍的信号机制。

图6  XQZ3靶向HSP90并阻断HSP90/Akt/mTOR通路诱导线粒体功能障碍

        为进一步评价体内药效活性，作者构建患者来源的PDAC异种移植物体内移植肿瘤模型(PDXs)检测XQZ3对肿瘤进展的影响。结果表明，XQZ3治疗对胰腺癌生长有明显的抑制作用，能显著延长了胰腺导管腺癌患者来源的异种移植模型的生存时间。此外，通过小鼠体重的统计学、血液生化指标和组织学形态分析对XQZ3的体内安全性进行了评估。综上，XQZ3在体外和体内均表现出显著的抗胰腺癌特性，具有良好的安全性，值得进一步开发利用。

图7  XQZ3体内抑制胰腺癌发展

        该研究首次阐明了小球藻多糖XQZ3靶向HSP90，通过HSP90/AKT信号通路抑制线粒体生物能量的新抗癌机制，为HSP90抑制剂抗癌应用的开发提供了一条新的思路和途径。

        参考文献：Long Sun, Meng Ji, Yulin Liu, Minghui Zhang, Caijuan Zheng, Peipei Wang*. XQZ3, a Chlorella pyrenoidosa polysaccharide suppresses cancer progression by restraining mitochondrial bioenergetics via HSP90/AKT signaling pathway [J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2024, 264: 130705. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.130705.

作者：孙龙，冀蒙

审核：吕友晶

编辑：邵萌

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