蔡宜珍
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微生物與生化學研究所微生物學組專題討論<br />
題目:ROS-generating mitochondrial DNA mutations can regulate tumor cell metastasis.<br />
作者 :Ishikawa K, Takenaga K, Akimoto M, Koshikawa N, Yamaguchi A, Imanishi H,<br />
Nakada K, Honma Y, Hayashi J.<br />
文章來源:Science. 661-664, 2008<br />
演講人:Tsai, Yi-chen <strong>蔡宜珍</strong> D98B47402<br />
指導老師:Chen, Chin-Tin 陳進庭 副教授<br />
演講日期:Oct. 5, 2009<br />
演講地點:The 6 th Classroom<br />
摘要<br />
在許多癌症細胞中都發現有粒腺體 DNA 突變 (mtDNA mutation) 發生,但是<br />
這樣的突變是否影響癌細胞的行為、發展尚未明瞭。為了解粒腺體 DNA 於癌症發<br />
展中所扮演的角色,作者比較轉移能力不同之癌細胞株其粒腺體活性,發現相較於<br />
低轉移性癌細胞,高轉移性癌細胞粒腺體內呼吸傳遞複合體 I 活性出現缺陷。呼吸<br />
傳遞複合體 I 的各個次分子是由細胞核 DNA 和粒腺體 DNA 所共同轉譯組成,為<br />
釐清是由何種 DNA 影響高轉移性癌細胞之呼吸傳遞複合體 I 活性,作者將低轉移<br />
性癌細胞株 P29 之粒腺體 DNA 替換成高度轉移性癌細胞 A11 之粒腺體 DNA,<br />
形成 P29mtA11 融合株,此融合株之細胞核 DNA 源自低轉移性 P29 細胞,粒腺<br />
體 DNA 則來自高轉移性 A11 細胞,實驗發現此融合株之呼吸傳遞複合體 I 因此<br />
出現缺陷,轉移能力也隨之提升;反之 A11mtP29 融合株 (細胞核 DNA 源自 A11<br />
細胞,粒腺體 DNA 源自 P29 細胞) 之呼吸傳遞複合體 I 正常,轉移能力也無增加,<br />
顯示高轉移性癌細胞粒腺體 DNA 會影響呼吸傳遞複合體 I 之活性,使其產生缺陷<br />
並使細胞轉移能力增加。接著作者比對轉移能力不同的細胞株,發現高轉移性癌細<br />
胞之粒腺體 DNA 在 ND6 (NADH dehydrogenase subunit 6) 基因發生突變,因而造<br />
成呼吸傳遞複合體 I 出現缺陷並會過度產生活性氧化物質 (Reactive oxygen<br />
species;ROS)。另外使用 P29mtA11 融合株進行實驗,發現當轉換入高轉移性癌細<br />
胞粒腺體突變基因時,則細胞核轉移相關基因 MCL-1 (myeloid cell leukemia-1)、<br />
HIF-1α (hypoxia-inducible factor–1α)、VEGF (vascular endothelial growth factor) 的<br />
表現量也會隨之增加。最後使用 ROS 清除劑處理 P29mtA11 融合株,發現除了降<br />
低 ROS 產量,還會減少 MCL-1 的表現量,使 P29mtA11 融合株的轉移能力因而<br />
下降。綜合以上,證實粒腺體 DNA 突變造成呼吸傳遞複合體 I 出現缺陷,使得 ROS<br />
過度生產,促使細胞核轉移相關基因 MCL-1 表現量上升,進而調控癌細胞轉移。<br />
Keywords : mtDNA mutation;ROS overproduction;Nuclear-gene regulation;<br />
Metastasis;mtDNA transfer technology<br />
1
◎ Introduction<br />
◎ 癌症轉移 (Metastasis)<br />
內容<br />
癌症乃是現代人類最主要的死亡原因之一,癌細胞除了生長失去控制之外<br />
,還會局部侵入週遭正常組織,甚至經由體内循環系統或淋巴系統遠端轉<br />
移到身體其它部份,因而無法根治,最後導致人的死亡,這是癌症最可怕<br />
的地方。所以找到癌症轉移相關之原因,了解調控轉移之模式,對於癌症<br />
治療會有相當大的幫助。<br />
◎ 粒腺體 DNA 突變 (mtDNA mutation) 與癌症<br />
◎ Purpose<br />
研究顯示,許多化學致癌物質往往容易與粒腺體 DNA 進行結合,而非細胞<br />
核 DNA [1,2],如此的結果使科學家們懷疑於粒腺體 DNA 上的突變可能與<br />
癌症形成有關 [3]。然而,若是粒腺體 DNA 突變會導致癌症發生,將會經<br />
由粒腺體 DNA 特有的母系遺傳 (Maternal inheritance),使得所有的子代都<br />
繼承母親所攜帶的粒線體基因突變而罹患癌症,而目前並無證據顯示粒腺<br />
體基因突變的罹癌母親,其所有子女皆會患有癌症。此外實驗證實致癌物<br />
質 3-methylcholanthrene (MCA) 導致癌症是因為細胞核 DNA 突變,顯示<br />
癌症發生是細胞核內基因突變所引起的,而不是粒線體 [4,5]。雖然粒腺體<br />
DNA 突變可能與癌症形成無直接關係,但是科學家還是懷疑可能與癌症之<br />
發展或轉移有關。<br />
癌細胞具有轉移能力使得治療困難,病情難以控制,若能找到轉移發生原因,<br />
將對於癌症治療有相當大的助益。科學家們懷疑粒腺體 DNA 突變可能參與了<br />
癌症的發展或轉移的發生,但目前仍無任何證據證實兩者之關聯,主要原因在<br />
於研究粒腺體 DNA 的同時,很難排除細胞核 DNA 的干擾,而無法確定單獨<br />
粒腺體 DNA 突變所造成之影響,所以本篇作者使用粒腺體 DNA 交換技術,<br />
針對粒腺體 DNA 突變與癌症轉移間的關係進行研究。<br />
◎ Specific Aim<br />
為了瞭解粒腺體 DNA 突變與轉移之關係,作者先比較轉移能力不同之細胞株<br />
其粒腺體活性之差異,並經由比對找出粒腺體突變基因,接著利用粒腺體 DNA<br />
交換技術確立粒腺體基因突變與轉移能力之關聯,之後進一步了解粒腺體基因<br />
突變是透過何種方式調控細胞之轉移能力,以釐清粒腺體 DNA 突變在癌症的<br />
發展中所扮演的角色。<br />
◎ Results & Discussion<br />
2
◎ 相較於低轉移性癌細胞,高轉移性癌細胞粒腺體呼吸傳遞複合體 I 之活性<br />
較低<br />
分別比較兩種轉移能力不同之肺部腫瘤細胞株 (both from Lewis lung<br />
carcinoma) – A11 (高轉移性癌細胞株) 及 P29 (低轉移性癌細胞株) 其粒腺<br />
體活性,發現 A11 細胞粒腺體呼吸傳遞複合體 I 之活性較 P29 細胞低;另<br />
外在比較高轉移性纖維腫瘤 B82M 細胞株及低轉移性纖維腫瘤 B82 細胞<br />
株也發現相似的結果。<br />
◎ 將高轉移性癌細胞粒腺體 DNA 轉換至低轉移性癌細胞,會導致呼吸傳<br />
遞複合體 I 之活性降低及轉移能力增加<br />
組成呼吸傳遞複合體 I 的各個次分子,可能是由細胞核 DNA 或是粒腺體<br />
DNA所轉譯,為釐清於高轉移性癌細胞之傳遞複合體 I 缺陷是由何種基因<br />
影響,作者將低轉移性癌細胞株 P29 之 mtDNA 剔除,轉換入高度轉移性<br />
癌細胞 A11 之 mtDNA,形成新的融合株–P29mtA11,此融合株之細胞核<br />
DNA來自低轉移性 P29 細胞,粒腺體 DNA 則來自高轉移性 A11 細胞;<br />
相反的,也將 A11 之 mtDNA 剔除,轉 換入 P29 之 mtDNA,成為細胞核 DNA<br />
源自 A11,粒腺體 DNA 源自 P29 之 A11mtP29 融合株。實驗發現粒腺體<br />
DNA來自高轉移細胞之 P29mt A11 融合株,呼吸傳遞複合體 I 出現缺陷,<br />
轉移能力也隨之提升;然而,粒腺體 DNA 來自低轉移細胞之 A11mt P29<br />
融合株,呼吸傳遞複合體 I 正常,轉移能力無顯著增加。顯示高轉移性癌<br />
細胞粒腺體 DNA 會影響呼吸傳遞複合體 I 之活性,使其產生缺陷並使細<br />
胞轉移能力增加。<br />
◎ 將高轉移性癌細胞粒腺體 DNA 轉換至正常細胞,不會導致癌症形成及<br />
轉移能力增加<br />
另外作者將正常纖維細胞 NIH3T3 之 mtDNA 剔除,轉換入 A11 之 mtDNA<br />
,成為細胞核 DNA 源自 NIH3T3,粒腺體 DNA 源自 A11 之 NIHmtA11<br />
融合株,發現此融合株呼吸傳遞複合體 I 會出現缺陷,但是不會造成腫瘤<br />
的發生,也不會使轉移能力提升,顯示高轉移性癌細胞粒腺體 DNA 不會<br />
促使正常細胞癌化,也不會影響正常細胞之轉移能力。<br />
◎ 經由粒腺體基因比對,發現高轉移性癌細胞粒腺體 ND6 (NADH<br />
dehydrogenase subunit 6) 基因出現突變<br />
為了解高轉移性癌細胞 A11 及 B82M 之粒腺體 DNA 是出現何種異常,因<br />
而導致呼吸傳遞複合體 I 出現缺陷及擁有高轉移能力,作者比對轉移能力<br />
不同的細胞株,發現高轉移性癌細胞 A11 及 B82M 之粒腺體 DNA 分別在<br />
ND6 (NADH dehydrogenase subunit 6) 基因出現 G13997A 及 13885insC 突<br />
變,造成呼吸傳遞複合體 I 出現缺陷。<br />
3
◎ 高轉移性癌細胞粒腺體 ND6 基因突變導致呼吸傳遞複合體 I 缺陷及活<br />
性氧化物質 (Reactive oxygen species;ROS) 過度生產,引起核內轉移<br />
相關基因表現量上升,致使轉移能力增加<br />
先前研究已知,當呼吸傳遞複合體 I 出現缺陷時,會導致過度產生活性氧<br />
化物質 (Reactive oxygen species;ROS) 的現象 [6]。作者於本實驗中證實,<br />
在高轉移性癌細胞粒腺體 ND6 基因突變,所引起的呼吸傳遞複合體 I 缺<br />
陷,也會使得 ROS 過度生產。另外作者於先前研究中發現,細胞核基因<br />
MCL-1 (myeloid cell leukemia-1)、HIF-1α (hypoxia-inducible factor-1α)、<br />
VEGF (vascular endothelial growth factor),會大量表現在高轉移性癌細胞<br />
A11上,於是使用細胞核 DNA 來自低轉移性 P29 細胞,粒腺體 DNA 來<br />
自高轉移性 A11 細胞之融合株 P29mtA11 進行實驗,發現當轉換入高轉<br />
移性癌細胞粒腺體突變基因時,則上述細胞核基因的表現量也會隨之增加。<br />
為證實 ROS 過度生產與癌症轉移之關係,使用 ROS 清除劑處理 P29mtA11<br />
融合株,發現除了降低 ROS 產量,還會減少 MCL-1 的表現量使 P29mtA11<br />
融合株的轉移能力因而下降。<br />
參考文獻<br />
1. Allen, J.A., Coombs, M.M., 1980. Covalent binding of polycyclic aromatic<br />
compounds to mitochondrial and nuclear DNA. Nature 287, 244–245.<br />
2. Backer, J.M., Weinstein, I.B., 1980. Mitochondrial DNA is a major cellular target<br />
for a dihydrodiol-epoxide derivative of benzo(a)pyrene. Science 209, 297–299.<br />
3. Shay, J.W., Werbin, H., 1987. Are mitochondrial DNA mutations involved in the<br />
carcinogenic process? Mutat. Res. 186, 149–160.<br />
4. Kaneda, H., Hayashi, J.-I., Takahama, S., Taya, C., Fischer Lindahl, K., Yonekawa,<br />
H.,1995. Elimination of paternal mitochondrial DNA in intraspecific crosses during<br />
early mouse embryogenesis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 92, 4542–4546.<br />
5. Shitara, H., Hayashi, J.-I., Takahama, S., Kaneda, H., Yonekawa, H., 1998.<br />
Maternal inheritance of mouse mtDNA in interspecific hybrids: segregation of the<br />
leaked paternal mtDNA followed by the prevention of subsequent paternal leakage.<br />
Genetics 148, 851–857.<br />
6. Wallace, D.C., 1999. Mitochondrial diseases in man and mouse. Science 283, 1482<br />
–1488.<br />
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