01
研究背景
線粒體在活性氧的產生中起著重要作用，電子傳遞鏈（ETC）的活性是這一過程的核心。抑制任何一個ETC亞基複合物都會增加細胞內的活性氧，但透過阻斷線粒體翻譯同時下調整個複合物則會降低活性氧水平。因此，線粒體翻譯可能在細胞中作為一箇中心開關來控制這些活性代謝物的水平。研究人員利用CRISPR鹼基編輯篩選技術，系統性地突變了超過25,000個蛋白質半胱氨酸殘基，發現VPS35蛋白中的兩個半胱氨酸（Cys653和Cys673）在突變時會介導對依賴線粒體翻譯的抗癌藥物的抗性。這表明VPS35可能是一個ROS感應通路的關鍵節點，透過感應細胞內的H2O2來調節線粒體翻譯，從而影響細胞對抗癌藥物的敏感性。
在這項研究中，科學家們探討了氧化還原訊號如何透過VPS35蛋白調控線粒體翻譯，從而影響細胞內活性氧（ROS）的水平。活性氧在低濃度時對細胞訊號傳導和增殖是必需的，但高濃度時會損傷大分子。儘管活性氧在正常和疾病生理中都很重要，但目前已知的活性氧感應蛋白仍然有限，且這些感應蛋白如何調控線粒體翻譯以控制活性氧水平的機制尚不清楚。
02
研究發現
研究揭示了VPS35蛋白在細胞內氧化還原訊號傳導中的關鍵作用。VPS35是逆向運輸複合物的核心成員，研究發現其特定的半胱氨酸殘基（Cys653和Cys673）在氧化後會導致逆向運輸複合物從內體膜上解離，從而影響質膜蛋白的重新分佈。特別是，氫過氧化物（H2O2）氧化VPS35的這些半胱氨酸殘基，導致氨基酸轉運蛋白SLC7A1從質膜上錯誤定位，進而降低線粒體翻譯。這一過程透過減少線粒體翻譯來調節細胞內活性氧（ROS）水平，從而影響抗癌藥物的細胞毒性。
研究還發現，降低VPS35的水平或氧化其ROS感應半胱氨酸可以在卵巢癌模型中賦予對ROS生成化療藥物（如順鉑）的抗性。這表明VPS35透過感知細胞質中的ROS水平來調節線粒體翻譯，並與線粒體ROS的產生相連線。這一發現揭示了細胞質ROS感應與線粒體蛋白表達控制之間的聯絡，可能為癌症治療提供新的靶點。
03
臨床意義
癌症治療中的應用：研究發現VPS35的氧化狀態及其在癌細胞中的表達水平與抗癌藥物（如順鉑）耐藥性密切相關。降低VPS35水平或氧化VPS35的半胱氨酸殘基可以使卵巢癌模型對產生ROS的化療藥物（如順鉑）產生耐藥性。這提示VPS35可能作為化療耐藥的生物標誌物，幫助預測腫瘤對特定化療方案的反應。 線粒體在ROS調節中的角色：該研究揭示了線粒體翻譯作為細胞內ROS水平的調節樞紐的作用。透過調控線粒體翻譯，可以實現對細胞ROS水平的控制，從而影響細胞的增殖和凋亡。這為透過調節線粒體功能來干預腫瘤發展提供了新的思路。 潛在的治療靶點：VPS35及其相關的ROS感應通路可能作為新的治療靶點，尤其是在針對氧化還原狀態失調的疾病中。透過調控VPS35，可以有可能影響腫瘤的生長和對化療藥物的敏感性。 總結來說，這項研究不僅深化了我們對線粒體在細胞內ROS調節中的理解，也為癌症治療提供了新的潛在靶點和預測工具。
04
實驗策略
1. 體系選擇與基因編輯： 使用CRISPR鹼基編輯技術，系統性地突變細胞中的半胱氨酸殘基，篩選出影響線粒體翻譯的關鍵殘基。 聚焦於VPS35蛋白的兩個半胱氨酸殘基（Cys653和Cys673），這些殘基的氧化被發現能夠調節線粒體翻譯。
2. 細胞模型與藥物處理： 在多種癌症細胞系中使用多種抗癌藥物（如奧拉帕尼、三氧化二砷、β-拉帕酮和順鉑）處理，透過測定藥物的半最大抑制濃度（IC50）來評估線粒體翻譯的變化。 使用抗生素（如多西環素）抑制線粒體翻譯，觀察對藥物敏感性的影響。
3. 蛋白質互動與定位分析： 透過細胞表面蛋白質組學和免疫共沉澱實驗，分析VPS35氧化如何導致網格蛋白複合物的解離及其在細胞膜上的定位變化。 檢測氫過氧化物（H2O2）處理對VPS35及其複合物其他成員的影響。
4. 功能驗證與抗藥性研究： 在卵巢癌模型中，分析VPS35水平下降或其半胱氨酸氧化如何導致對ROS生成化療藥物的抗性。 透過體外實驗證實VPS35及其氧化模擬突變體受ROS調節的作用。
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資料解讀
圖1：系統性識別介導細胞內穩態ROS水平增加的敏感性或抗性的半胱氨酸殘基
Figure 1 為了理解細胞內穩態ROS水平變化對蛋白質功能的影響，研究者們系統性地識別了與ROS敏感性或抗性相關的半胱氨酸殘基。 A. 透過對細胞進行不同處理，分析了半胱氨酸殘基在細胞內穩態ROS水平增加時的敏感性。實驗結果顯示，某些特定的半胱氨酸殘基在ROS水平升高時表現出顯著的敏感性變化。 B. 透過進一步的實驗，研究者們驗證了這些半胱氨酸殘基在不同細胞環境下的行為，結果表明，這些殘基在不同的ROS條件下表現出不同的抗性或敏感性。 結論：研究系統性地識別了與細胞內穩態ROS水平變化相關的半胱氨酸殘基，這些殘基在不同的ROS條件下表現出顯著的敏感性或抗性變化。
圖2：VPS35是細胞質中的H2O2感測器，調節線粒體編碼蛋白的表達
Figure 2 探討了VPS35在細胞質中作為H2O2感測器的功能，以及其對線粒體編碼蛋白表達的調控作用。 A. 為了驗證VPS35對H2O2的響應，作者在細胞中透過免疫熒光染色檢測VPS35的定位。結果顯示，在H2O2處理後，VPS35從細胞質轉移到線粒體。 B. 為了進一步確認VPS35對H2O2的感知作用，作者利用免疫印跡分析了H2O2處理後VPS35的蛋白水平。結果表明，H2O2處理後，VPS35的蛋白水平顯著增加。 C. 作者透過即時定量PCR分析了VPS35對線粒體編碼蛋白表達的影響。結果顯示，VPS35的過表達導致線粒體編碼蛋白的表達上調。 D. 為了探討VPS35在H2O2感知中的具體作用機制，作者進行了共免疫沉澱實驗，分析VPS35與線粒體相關蛋白的相互作用。結果顯示，VPS35與線粒體膜蛋白有直接的相互作用。 結論：VPS35作為細胞質中的H2O2感測器，透過調控線粒體編碼蛋白的表達，發揮重要的生物學功能。
圖3：VPS35的氧化調控SLC7A1在質膜上的定位
Figure 3 研究VPS35的氧化狀態如何影響SLC7A1在細胞質膜上的定位。 A. 為了探討VPS35的氧化對SLC7A1定位的影響，作者透過免疫熒光染色分析了細胞中SLC7A1的分佈。結果顯示，在VPS35氧化狀態下，SLC7A1的質膜定位顯著減少。 B. 作者進一步透過免疫印跡實驗驗證了VPS35氧化對SLC7A1的影響。結果表明，VPS35氧化導致SLC7A1在質膜上的表達減少，而在細胞內的表達增加。 結論：VPS35的氧化狀態能夠調控SLC7A1在質膜上的定位，氧化的VPS35會導致SLC7A1質膜定位的減少。
圖4：VPS35的氧化調控分割槽翻譯和順鉑耐藥性
Figure 4 A. 為了研究VPS35氧化對蛋白質翻譯的影響，作者使用免疫印跡分析了在不同處理條件下VPS35的氧化狀態。結果顯示，VPS35的氧化狀態在順鉑處理後發生變化。 B. 為了驗證VPS35氧化對蛋白質翻譯的具體影響，作者對細胞進行順鉑處理，並透過免疫印跡檢測了與翻譯相關的蛋白質的表達水平。結果表明，VPS35的氧化狀態影響了這些蛋白質的表達。 C. 為了進一步探討VPS35氧化在順鉑耐藥性中的作用，作者進行了細胞存活實驗。結果顯示，VPS35氧化狀態的改變與細胞對順鉑的耐藥性相關。 結論：VPS35的氧化狀態調控蛋白質的分割槽翻譯，並影響細胞對順鉑的耐藥性。
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主要結論
這篇發表在《Nature》上的論文揭示了氧化還原蛋白VPS35在調控線粒體翻譯和氧化應激之間的關鍵作用。研究發現，VPS35作為一個細胞內氧化還原感測器，透過其半胱氨酸殘基的氧化，調控線粒體翻譯，從而影響細胞內活性氧（ROS）水平。具體來說，氧化氫（H2O2）的增加導致VPS35的氧化，這使得VPS35從內體膜上解離，進而影響氨基酸轉運蛋白SLC7A1的細胞膜定位。這一連鎖反應導致線粒體翻譯的下降，並減少ROS的產生，從而賦予細胞對某些抗癌藥物如順鉑的耐藥性。研究還發現，卵巢癌中VPS35的降低與對順鉑的耐藥性有關。
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討論總結
研究指出，傳統的ROS調控路徑主要依賴於抗氧化基因的上調，而本研究揭示了一個透過調節線粒體翻譯而不是直接透過抗氧化基因的ROS調控機制。該研究強調了線粒體翻譯作為整合細胞內ROS水平的訊號樞紐的重要性，並透過VPS35的氧化調控SLC7A1在細胞膜上的定位，從而影響線粒體翻譯。這一新發現揭示了一條氧化還原控制路徑，透過降低線粒體ROS的產生來實現細胞對氧化應激的調控。 研究還進一步指出，VPS35及其氧化狀態可以作為評估卵巢癌對化療藥物敏感性的潛在生物標誌物。這為未來的癌症治療提供了新的視角，即透過調節線粒體翻譯和ROS水平來改善對化療的響應。總的來說，這項研究不僅揭示了VPS35在ROS感知和線粒體翻譯中的中心作用，還為理解和開發抗癌治療策略提供了新的理論基礎。
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