CYP19A1通过调节雌激素合成和线粒体功能调控结直肠癌化疗耐药性

背景介绍

结直肠癌（Colorectal Cancer, CRC）是全球范围内癌症相关死亡的主要原因之一。尽管早期检测和治疗策略取得了显著进展，但化疗耐药性仍然是有效治疗结直肠癌的主要障碍，导致患者预后不良和高死亡率。化疗耐药性的分子机制复杂且多面，近年来，越来越多的证据表明，线粒体功能和激素信号通路的改变在化疗耐药性中起着关键作用。CYP19A1（细胞色素P450家族19亚家族A成员1），也称为芳香化酶，是雌激素生物合成中的关键酶。尽管CYP19A1在激素依赖性癌症中的作用已被广泛研究，但其在结直肠癌中的功能仍未被充分探索。鉴于雌激素信号在多种细胞过程中的重要性，包括线粒体功能和能量代谢，研究人员假设CYP19A1可能在调节结直肠癌细胞的线粒体活性和化疗耐药性中发挥重要作用。

论文来源

这篇论文由Yang Wang、Qiang Ji、Ning Cao、Guijie Ge、Xiaomin Li、Xiangdong Liu和Yanqi Mi共同撰写，作者分别来自上海中医药大学附属龙华医院普通外科、潍坊阳光联合医院药学部、潍坊市人民医院急诊普外科、潍坊市人民医院内镜中心麻醉二科、潍坊市人民医院胃肠外科医学中心和潍坊市人民医院药学部。论文于2024年发表在《Cancer & Metabolism》期刊上，题为“CYP19A1 regulates chemoresistance in colorectal cancer through modulation of estrogen biosynthesis and mitochondrial function”。

研究流程与结果

1. CYP19A1在结直肠癌细胞中的表达与定位

研究首先通过分析癌症基因组图谱（TCGA）数据库中的RNA测序数据，发现CYP19A1 mRNA在结直肠癌组织中的表达显著高于正常结肠组织。随后，研究人员通过实时定量PCR和Western blot分析，证实了CYP19A1在多个结直肠癌细胞系中的mRNA和蛋白水平均显著上调。为了进一步了解CYP19A1的功能，研究人员通过免疫荧光染色发现，CYP19A1在结直肠癌细胞中主要定位于线粒体，部分定位于内质网。这一发现提示CYP19A1可能在调节结直肠癌细胞的线粒体功能中发挥重要作用。

2. CYP19A1敲除对线粒体呼吸功能的影响

为了研究CYP19A1对线粒体呼吸功能的影响，研究人员利用CRISPR-Cas9技术生成了CYP19A1敲除的SW480和HT29结直肠癌细胞系。通过Seahorse线粒体压力测试，研究人员发现CYP19A1敲除显著降低了结直肠癌细胞的基线呼吸、ATP相关呼吸和最大呼吸能力。此外，CYP19A1敲除还导致线粒体复合物I活性显著降低，而复合物III、IV和V的活性未受影响。这些结果表明，CYP19A1在维持结直肠癌细胞线粒体复合物I活性和最佳呼吸功能中起着关键作用。

3. CYP19A1通过其酶活性和雌激素合成调节线粒体功能

CYP19A1在雌激素生物合成中起关键作用，催化雄激素转化为雌激素。为了确定CYP19A1的酶活性是否是其调节线粒体功能所必需的，研究人员通过慢病毒载体在CYP19A1敲除细胞中表达了野生型CYP19A1及其催化失活突变体D309N和Y361F。结果显示，只有野生型CYP19A1的表达能够恢复CYP19A1敲除细胞的线粒体呼吸功能，而催化失活突变体则无此效果。此外，补充雌二醇（estradiol）也能完全恢复CYP19A1敲除细胞的线粒体呼吸功能，表明CYP19A1通过其酶活性和雌激素合成调节线粒体功能。

4. 药物抑制CYP19A1或线粒体复合物I对结直肠癌细胞的影响

为了进一步验证CYP19A1在线粒体功能中的作用，研究人员使用CYP19A1特异性抑制剂阿那曲唑（anastrozole）和线粒体复合物I抑制剂IACS-010759处理结直肠癌细胞。结果显示，阿那曲唑和IACS-010759均显著抑制了结直肠癌细胞的线粒体呼吸功能，并降低了细胞ATP含量，增加了活性氧（ROS）水平。这些结果进一步支持了CYP19A1和线粒体复合物I在调节结直肠癌细胞线粒体呼吸和细胞能量稳态中的关键作用。

5. 靶向CYP19A1逆转结直肠癌化疗耐药性

研究人员通过连续暴露于5-氟尿嘧啶（5-FU）、伊立替康（irinotecan）和奥沙利铂（oxaliplatin）建立了化疗耐药的结直肠癌细胞系。结果显示，CYP19A1敲除显著抑制了化疗耐药细胞的线粒体呼吸功能和复合物I活性，逆转了其化疗耐药性。此外，过表达CYP19A1或补充雌二醇增加了亲代细胞对化疗药物的耐受性，而外源性表达野生型CYP19A1或补充雌二醇能够逆转CYP19A1敲除引起的化疗增敏效应。这些结果表明，CYP19A1通过其酶活性和雌激素合成调节结直肠癌细胞的化疗耐药性。

6. 临床数据分析

研究人员通过分析TCGA数据库中的临床数据，发现高CYP19A1表达与接受化疗的结直肠癌患者的总生存率显著相关。多变量Cox回归分析显示，高CYP19A1表达与5-FU和奥沙利铂治疗组患者的死亡风险增加显著相关，而性别和CYP19A1与性别的交互作用无显著影响。这些结果进一步支持了CYP19A1在结直肠癌化疗耐药性中的临床意义。

结论与意义

本研究揭示了CYP19A1通过调节线粒体功能和复合物I活性在结直肠癌化疗耐药性中的新作用，并提出了CYP19A1/雌激素/复合物I轴作为克服化疗耐药性的潜在治疗靶点。研究结果表明，靶向CYP19A1或复合物I能够有效逆转结直肠癌细胞的化疗耐药性，具有重要的临床应用价值。此外，TCGA数据库的临床数据分析进一步证实了CYP19A1在结直肠癌化疗反应中的临床相关性。这些发现为理解结直肠癌化疗耐药性的分子机制提供了新的见解，并为开发新的治疗策略提供了理论基础。

研究亮点

1. 新发现：首次揭示了CYP19A1通过调节线粒体功能和复合物I活性在结直肠癌化疗耐药性中的关键作用。
2. 创新方法：利用CRISPR-Cas9技术生成CYP19A1敲除细胞系，结合Seahorse线粒体压力测试和药物抑制实验，系统研究了CYP19A1的功能。
3. 临床意义：通过TCGA数据库分析，发现高CYP19A1表达与化疗患者的不良预后显著相关，为CYP19A1作为化疗反应预测标志物提供了依据。
4. 治疗潜力：研究结果表明，靶向CYP19A1或复合物I能够有效逆转结直肠癌细胞的化疗耐药性，具有重要的临床应用前景。

其他有价值的信息

本研究还发现，CYP19A1在结直肠癌细胞中不仅定位于线粒体，还部分定位于内质网，提示其可能在不同细胞区室中具有多种功能。此外，研究还探讨了CYP19A1与雌激素信号通路在化疗耐药性中的复杂相互作用，为未来研究提供了新的方向。