DRP1を介したミトコンドリアの分裂とマイトファジーの抑制は、低酸素環境下での肝細胞癌細胞のミトコンドリアのアポトーシスを増加させる

Suppressing DRP1-mediated mitochondrial fission and mitophagy increases mitochondrial apoptosis of hepatocellular carcinoma cells in the setting of hypoxia.

• Xia-Hui Lin
• Bai-Quan Qiu
• Min Ma
• Rui Zhang
• Shu-Jung Hsu
• Hua-Hua Liu
• Jun Chen
• Dong-Mei Gao
• Jie-Feng Cui
• Zheng-Gang Ren
• Rong-Xin Chen

抄録

経動脈塞栓療法/経動脈化学塞栓療法(TAE/TACE)は、主に動脈塞栓による虚血性壊死を介して、肝細胞癌(HCC)の緩和治療として受け入れられている。しかし、このような虚血性低酸素状態下で肝細胞癌細胞がどのように生存しているのかは不明であり、これを利用してTAE/TACE治療の効果を高めることが可能である。我々は、マイトファジーを標的とすることで、低酸素下でのHCC細胞のアポトーシスを増加させることができるのではないかと仮説を立てた。HCC細胞を低酸素に曝露した後、マイトファジーを定量した。その結果、低酸素下で誘導されたHCCのマイトファジーにおけるダイナミン関連タンパク質1（DRP1）の役割が明らかになった。さらに、低酸素とDRP1阻害剤のHCCアポトーシスに対する相乗効果をin vitroおよびin vivoで評価した。DRP1発現とHCC患者の転帰との臨床的関連性を検証した。低酸素下で生存したHCC細胞は、非酸素下の細胞と比較してDRP1を介したミトコンドリアの分裂とマイトファジーが有意に増加していた。低酸素はDRP1の発現とミトコンドリアへの転座を促進し、ミトコンドリアが過剰に分裂して断片化することで、生き残ったHCC細胞にマイトファジーを誘導した。さらに、DRP1阻害剤Mdivi-1は、低酸素曝露したHCC細胞のin vivo増殖を抑制した。DRP1の高発現は、HCC患者の生存期間の短縮と有意に関連していた。以上の結果から、DRP1を介したミトコンドリアの分裂とマイトファジーを阻害することで、低酸素下でのHCC細胞のミトコンドリアアポトーシスの発生率が増加することが明らかになった。

Transarterial embolization/transarterial chemoembolization (TAE/TACE) is the acceptable palliative treatment for hepatocellular carcinoma (HCC), mainly through ischemic necrosis induced by arterial embolization. However, how HCC cells survive under such ischemic hypoxic condition remains unclear, which can be exploited to potentiate TAE/TACE treatment. We hypothesized that targeting mitophagy can increase HCC cell apoptosis during hypoxia. HCC cells were subjected to hypoxia and then mitophagy was quantified. The role of dynamin-related protein 1 (DRP1) in hypoxia-induced HCC mitophagy was determined. Moreover, the synergistic effect of hypoxia and DRP1 inhibitor on HCC apoptosis was assessed in vitro and in vivo. Clinical association between DRP1 expression and outcome for HCC patients was validated. HCC cells that survived hypoxia showed significantly increased DRP1-mediated mitochondrial fission and mitophagy compared with cells in normoxia. Hypoxia induced mitophagy in surviving HCC cells by enhancing DRP1 expression and its translocation into the mitochondria and excessive mitochondrial fission into fragments. Blocking the DRP1 heightened the possibility of hypoxic cytotoxicity to HCC cells due to impaired mitophagy and increased the mitochondrial apoptosis, which involved decreased in mitochondrial membrane potential and mitochondrial release of apoptosis-inducing factor and cytochrome c. Additionally, DRP1 inhibitor Mdivi-1 suppressed the in vivo growth of hypoxia-exposed HCC cells. High expression of DRP1 was significantly associated with shorter survival in HCC patients. In conclusion, our results demonstrate that blocking DRP1-mediated mitochondrial fission and mitophagy increases the incidence of mitochondrial apoptosis of HCC cells during hypoxia, suggesting the new approach of targeting mitophagy to potentiate TAE/TACE.