Mpc1-flox 基因敲除小鼠

Mpc1，也称为线粒体丙酮酸载体1，是线粒体丙酮酸载体复合物的一部分，负责将细胞质中的丙酮酸转运到线粒体中进行进一步的代谢。丙酮酸是糖酵解的最终产物，是细胞能量代谢和许多生物合成途径中的关键分子。Mpc1和Mpc2这两个亚基共同构成了线粒体丙酮酸载体复合物，两者相互依赖以稳定彼此并形成一个功能性载体。Mpc1的表达和功能在多种生物学过程中发挥着重要作用，包括细胞能量代谢、脂质代谢、炎症反应和肿瘤发生等。

在非酒精性脂肪肝疾病（NAFLD）中，Mpc1的表达与肝脏脂质沉积呈正相关。Mpc1敲除小鼠在摄入高脂肪饮食后，肝脏脂质积累减少，但与脂质合成相关的基因表达没有改变。Mpc1敲除影响了多种蛋白质的乳酸化，特别是脂肪酸合酶，通过调节肝细胞中的乳酸水平。脂肪酸合酶K673位点的乳酸化抑制了其活性，从而介导了Mpc1对肝脏脂质积累的下调。此外，尽管Mpc1敲除导致乳酸积累，但由于线粒体保护和巨噬细胞极化，炎症水平得到控制。在NAFLD中，Mpc1水平与肝脏脂质沉积呈正相关；脂肪酸合酶K673位点的增强乳酸化可能是下游机制[1]。

Mpc1基因的突变会导致线粒体丙酮酸载体缺陷症，这是一种罕见的常染色体隐性遗传疾病。这种疾病表现为发育迟缓、小头症、生长失败和血清乳酸和丙酮酸水平升高。已报道了三种新的致病性Mpc1基因突变，分别来自欧洲、科威特和中国的人群。功能分析表明，患者的成纤维细胞中Mpc1和Mpc2的表达降低。通过用野生型Mpc1重新构建患者的成纤维细胞，恢复了由丙酮酸驱动的氧气消耗率。此外，当细胞缺乏丙酮酸时，谷氨酰胺和β-羟基丁酸可以作为替代底物来维持线粒体呼吸。因此，本研究扩展了与Mpc缺陷相关的临床表型和基因型，并揭示了谷氨酰胺作为Mpc缺陷潜在治疗的可能性[2]。

Mpc1在癌症代谢中起着关键作用，其表达受到COUP-TFII的转录调控。Mpc1在前列腺癌细胞中作为糖酵解的关键调节因子，进而控制癌细胞的生长、侵袭和致瘤能力。更重要的是，研究发现COUP-TFII在前列腺癌患者中上调，通过调节Mpc1和糖酵解来促进肿瘤生长和转移。这表明COUP-TFII通过抑制Mpc1的表达，促进代谢向糖酵解的转换，从而促进癌症进展。这一发现为前列腺癌干预提供了新的靶点，即通过靶向COUP-TFII来调节癌细胞代谢[3]。

乳酸积累是实体癌的标志，并与肿瘤浸润免疫细胞的免疫抑制表型相关。研究发现，白细胞介素-4（IL-4）诱导的M0→M2巨噬细胞极化伴随着葡萄糖或乳酸依赖的三羧酸（TCA）循环代谢，直接驱动组蛋白乙酰化、M2基因转录和功能性免疫抑制。乳酸依赖的M0→M2极化需要线粒体丙酮酸的摄取和腺苷三磷酸-柠檬酸裂解酶（ACLY）的酶活性。值得注意的是，外源乙酸盐可以挽救由于线粒体丙酮酸载体1（Mpc1）抑制或ACLY缺陷导致的M2极化和组蛋白乙酰化的缺陷。最后，巨噬细胞ACLY缺陷导致M2巨噬细胞依赖的肿瘤进展受损，进一步支持葡萄糖/乳酸线粒体代谢和组蛋白乙酰化在驱动免疫逃避中的主导作用。这项工作增加了我们对线粒体代谢如何影响巨噬细胞功能表型的理解，并确定了M2巨噬细胞中独特的肿瘤微环境（TME）驱动的代谢-表观遗传联系[4]。

使用CRISPR/Cas9系统，成功获得了稳定的Mpc1基因杂合突变小鼠模型，这些杂合突变可以稳定地在其后代中维持。仅建立了一条在第一个外显子中具有纯合27个碱基缺失的Mpc1基因敲除小鼠系，但在四个月的交配实验后没有获得后代，表明具有这种纯合缺失的小鼠不育。另一条Mpc1敲除小鼠系仅是杂合的，在第一个外显子中发生突变，随后是一个终止子。这两条Mpc1敲除小鼠系表现出较低的生育能力和雌性体重显著增加。这表明Mpc1敲除会减弱生育能力，并影响小鼠的葡萄糖和脂肪酸代谢以及体重[5]。

在胶质母细胞瘤（GBM）中，Mpc1的缺失与较差的预后和替莫唑胺耐药性相关。研究发现，在GBM的四个亚型中，神经祖细胞组具有最高的Mpc1拷贝数，而诊断为神经祖细胞亚型的GBM患者表现出最佳的结果。Mpc1拷贝数与MGMT拷贝数显著相关。Mpc1完整肿瘤的MGMT基因表达水平显著低于Mpc1缺失肿瘤。与Mpc1缺失组相比，Mpc1完整组与更好的总生存期显著相关。此外，与Mpc1完整肿瘤相比，Mpc1缺失肿瘤的患者在接受替莫唑胺（TMZ）治疗后的生存率更差。这些结果表明，Mpc1拷贝数减少与GBM中的总生存率降低相关。Mpc1缺失与GBM对TMZ化疗的不良反应相关[6]。

在宫颈癌中，Mpc1的表达水平低于正常宫颈组织。Mpc1表达水平较低的患者总生存期较短。Mpc1表达与宫颈癌中肿瘤浸润免疫细胞的浸润水平相关。此外，Mpc1表达与铁介导的细胞死亡途径相关，且几种重要的铁死亡基因在宫颈癌细胞中上调。进一步研究发现，在HeLa细胞中敲低Mpc1后，这些基因的表达下降。这些结果表明，Mpc1作为一种预后指标，在调节宫颈癌中的铁死亡途径中发挥作用[7]。

MARCH5是一种位于线粒体外膜的环指E3泛素连接酶。MARCH5的异常上调与卵巢癌中的显著增加的有氧糖酵解相关。MARCH5通过泛素化并降解线粒体丙酮酸载体1（Mpc1）来促进有氧糖酵解，Mpc1定位于线粒体外膜，介导细胞质中丙酮酸的转运进入线粒体。与Mpc1表达显著降低，其下调与不良预后密切相关。体外和体内实验表明，MARCH5上调增强的有氧糖酵解在卵巢癌细胞增殖和转移中起着关键作用。因此，本研究确定了MARCH5通过降解Mpc1来调节有氧糖酵解的机制，并为通过MARCH5-Mpc1轴抑制来靶向有氧糖酵解的治疗提供了理论依据[8]。

Mpc1对于PGC-1α诱导的线粒体呼吸和生物发生至关重要。Mpc在人类肾细胞癌（RCC）中表达下调，这是由于过氧化物酶体增殖物激活受体-γ共激活剂（PGC）-1α的强烈抑制。研究发现，PGC-1α的过表达刺激了Mpc1的转录，而通过siRNA耗尽PGC-1α抑制了Mpc表达。PGC-1α与雌激素相关受体-α（ERR-α）相互作用，并将其招募到Mpc1启动子中的ERR-α反应元件位点，从而有效地激活了Mpc1的表达。此外，Mpc抑制剂UK5099阻止了PGC-1α诱导的丙酮酸依赖性线粒体氧气消耗。这些结果表明，Mpc1是PGC-1α的一个新靶基因。此外，人类RCC中PGC-1α的低表达可能导致Mpc表达减少，从而通过限制丙酮酸进入线粒体基质来损害RCC中的线粒体呼吸能力[9]。

在前列腺癌中，Mpc1和Mpc2的表达与良好的临床预后相关。与LNCaP细胞相比，DU145细胞系中Mpc1和Mpc2的表达水平较低。对88例前列腺癌患者的免疫组织化学分析显示，Mpc1表达水平与Mpc2表达水平呈正相关。Mpc1表达与UICC分期呈负相关，而UICC分期和淋巴结转移与Mpc2表达呈负相关。Mpc1或Mpc2在癌细胞中的阳性表达与更高的总生存率显著相关。多变量分析表明，Mpc1和Mpc2在前列腺癌中的表达是独立预后因素，预示着更好的预后[10]。

综上所述，Mpc1在多种生物学过程中发挥着重要作用，包括细胞能量代谢、脂质代谢、炎症反应和肿瘤发生等。Mpc1的表达和功能异常与多种疾病的发生和发展相关，包括NAFLD、线粒体丙酮酸载体缺陷症、前列腺癌、卵巢癌和胶质母细胞瘤等。Mpc1的表达和功能受到多种因素的调控，包括COUP-TFII、PGC-1α和MARCH5等。深入研究Mpc1的生物学功能和调控机制，有助于我们更好地理解其与疾病发生和发展的关系，并为疾病的治疗和预防提供新的思路和策略。