电子科技大学刘贻尧/李亭亭团队Acta Biomater：基质刚度通过内质网-线粒体钙转运激活乳腺癌细胞线粒体动力学和自噬

乳腺癌是女性恶性肿瘤的一个重要诱因，约占所有女性新发癌症病例的30%，具有较高的恶性程度和侵袭转移能力。因此，更好地了解乳腺癌的发病机制对于制定有效的治疗策略至关重要。乳腺癌对力学微环境高度敏感，肿瘤微环境中纤维化间质增生、胶原的异常交联和沉积是乳腺癌恶化的重要因素。线粒体是细胞内产生能量的重要场所，可以通过感知和响应力学刺激来适应环境。

我们先前的研究表明，基质刚度软化能诱导乳腺癌细胞线粒体氧化应激、线粒体途径的凋亡和保护性细胞自噬（Chen Y, et al. Free Radical Biology and Medicine. 2021, 172: 590-603），说明线粒体功能与基质刚度驱动的肿瘤进展密切相关，但对细胞外基质刚度如何影响线粒体动力学和线粒体自噬规律及其具体力学生物机制仍不清楚。

近日，电子科技大学刘贻尧教授团队对基质刚度与线粒体动力学之间的关系进行了深入研究，探讨了钙稳态对响应基质刚度变化引发的线粒体动力学和线粒体自噬的影响。研究结果表明，软基底可通过内质网-线粒体钙转运触发Drp1的募集和随后的线粒体分裂和自噬。具体而言，IP3R介导的内质网-线粒体钙转运受到软基底的调控，从而触发下游信号。由于内质网钙释放和线粒体钙摄取，Drp1被招募到线粒体并被磷酸化，导致线粒体功能障碍、线粒体分裂和PINK1/Parkin介导的线粒体自噬。该工作以“Endoplasmic reticulum-mitochondrial calcium transport contributes to soft extracellular matrix-triggered mitochondrial dynamics and mitophagy in breast carcinoma cells”发表在Acta Biomaterialia上（2023，DOI: 10.1016/j.actbio.2023.07.060）。电子科技大学生命科学与技术学院博士生陈瑜为该论文的第一作者，电子科技大学生命科学与技术学院刘贻尧教授、李亭亭副研究员为该论文的通讯作者。此研究得到国家自然科学基金和四川省科技计划等项目的支持。

【文章要点】

（1）软基底诱导Drp1介导的乳腺癌细胞线粒体分裂和自噬。

在本研究中，使用不同刚度的水凝胶基底来模拟乳腺癌的不同进展阶段，且玻璃作为对照基底。作者利用MitoTracker Red探针对细胞内线粒体进行染色，以评估基质刚度对线粒体形态的影响。结果显示，培养在软基底上的细胞线粒体数量和平均长度显著减少，而且超过50%的线粒体属于片段化线粒体，表明软基底诱导乳腺癌细胞的线粒体裂变。

随后，使用免疫荧光染色发现软基底上的细胞中Parkin与线粒体的共定位更为明显，且PINK1和Parkin在线粒体部分显著富集，说明软基底促进PINK1/Parkin途径的线粒体自噬。此外，转染sh-Drp1质粒能显著降低软基底诱导的线粒体分裂和自噬，表明软基底诱导Drp1介导的乳腺癌细胞线粒体分裂和自噬。

（2）软基底促进乳腺癌细胞中内质网-线粒体间钙转运。

线粒体钙超载是调控线粒体形态和功能改变的关键。作者使用化学染料Rhod-2 AM标记线粒体钙，结果显示软基底上的线粒体钙水平显著增加。随后，将细胞分别转染特异性标记线粒体钙或内质网钙的Mito-Gcamp6或ER-Gcamp6质粒以检测单细胞的钙动态。研究结果显示，软基底上的线粒体钙浓度有显著增加，而内质网钙水平被显著下调，说明软基底促进乳腺癌细胞的内质网钙释放和线粒体钙摄取。IP3R是激活内质网-线粒体钙转运通道的关键蛋白，在软基底上，线粒体组分的IP3R表达明显增加。以上结果表明软基底促进了乳腺癌细胞内质网和线粒体的接触并激活内质网-线粒体间的钙转运。

（3）软基底通过内质网-线粒体钙转运触发DRP1的募集和随后的线粒体分裂和自噬。

为了进一步探究内质网-线粒体钙转运信号和线粒体动力学之间的相关性，使用2APB阻断内质网-线粒体钙转运后对线粒体形态、自噬等进行反向验证。免疫荧光结果显示，2APB处理后，软基底上的细胞内Drp1与线粒体的共定位减少，破碎型线粒体部分恢复为伸长型线粒体，且线粒体数量和长度有所增加，表明软基底通过内质网-线粒体钙转运激活线粒体分裂。此外，2APB处理明显减弱了软基底介导的Parkin在线粒体膜处的聚集，且部分逆转了PINK1和Parkin的线粒体积累。以上结果表明，软基底介导的内质网-线粒体钙转运在线粒体动力学变化的上游，促进Drp1介导的线粒体分裂和自噬。

（4）体内实验显示，抑制DRP1活性能显著抑制较软胞外基质诱导的线粒体分裂和自噬。

为了评估基质刚度变化是否影响体内肿瘤的生物学特性，作者利用BAPN构建了一个较软胞外基质的肿瘤模型，并使用纳米压痕仪和天狼星红染色验证。肿瘤组织切片染色显示，BAPN组的钙浓度明显增强。使用Mitotracker Red对肿瘤组织中分离培养的原代细胞进行染色，发现BAPN组的原代细胞线粒体长度明显降低，但加入Mdivi-1抑制Drp1活性后能部分逆转这一变化。此外，透射电镜观察发现BAPN组中的被双膜结构包裹的线粒体数量明显高于对照组，Parkin和PINK1的线粒体组分表达水平在BAPN组中也显著增加，而Mdivi-1干预同样逆转了这些变化。以上结果表明，抑制Drp1活性能显著降低BAPN诱导的体内肿瘤组织的线粒体分裂和自噬。

综上所述，本研究揭示了力学刺激调控线粒体动力学的分子机制，有助于了解乳腺癌进展过程中钙稳态对线粒体动力学和线粒体自噬的影响，为靶向基质刚度的乳腺癌治疗提供参考信息和潜在的分子靶标。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actbio.2023.07.060