PLK1介导的PDHA1磷酸化驱动Cr(VI)相关肺癌中线粒体功能障碍、线粒体自噬及癌症进展的分子机制

本研究揭示了PLK1通过磷酸化PDHA1-Thr57破坏PDHc完整性，抑制OXPHOS并诱导线粒体自噬，从而促进Cr(VI)相关肺癌进展的分子机制，为靶向PLK1-PDHA1轴治疗环境致癌物诱导的肿瘤提供了新策略。

　　

研究背景
六价铬（Cr(VI)）是国际公认的一类环境致癌物，长期暴露可显著增加肺癌风险。尽管Cr(VI)诱导染色体不稳定性和DNA损伤的机制已有研究，但其如何通过代谢重编程促进肿瘤进展仍不清楚。线粒体作为能量代谢中枢，其功能异常与肿瘤发生密切相关。Polo样激酶1（PLK1）作为细胞周期调控关键因子，在多种癌症中异常高表达，但其在Cr(VI)致癌中的作用及其与线粒体功能的关联尚未阐明。

研究方法
研究人员通过构建Cr(VI)转化的人支气管上皮细胞（CrT）模型，结合基因敲降、过表达及条件性敲入小鼠胚胎成纤维细胞（MEF），采用Seahorse线粒体压力测试、分子动力学模拟、免疫共沉淀（Co-IP）和活细胞成像等技术，系统解析PLK1-PDHA1轴在Cr(VI)致癌中的作用。临床样本分析基于216例非小细胞肺癌（NSCLC）组织芯片（TMA）。

研究结果

1. PLK1在Cr(VI)介导的细胞转化中表达上调并促进癌症进展
• CrT细胞中PLK1蛋白水平显著升高，且短期Cr(VI)暴露呈剂量依赖性诱导PLK1表达
• PLK1过表达使BEAS-2B细胞在裸鼠中形成肿瘤，而PLK1敲降抑制CrT细胞增殖、迁移及体内成瘤能力

2. PLK1升高抑制OXPHOS并下调PDHA1
• PLK1抑制剂BI6727处理可恢复CrT细胞基础呼吸和储备呼吸能力
• PLK1通过激酶活性依赖性方式降低PDHA1蛋白稳定性，且与PDHA1表达呈临床负相关（TMA分析）

3. PLK1磷酸化PDHA1-Thr⁵⁷并破坏PDHc功能
• 体外激酶实验证实PLK1直接磷酸化PDHA1-Thr⁵⁷，特异性抗体验证其体内磷酸化
• 分子动力学模拟显示磷酸化导致PDHA1构象改变，减少PDHA1-PDHB异源四聚体氢键（从22.01±4.99降至11.82±3.06）
• 磷酸化模拟突变体T57D降低PDH酶活性和乙酰辅酶A生成

4. PLK1介导的PDHA1磷酸化诱导线粒体功能障碍和自噬
• T57D突变体诱导线粒体碎片化（平均分支长度减少）和膜电位超极化
• 线粒体-溶酶体共定位实验及Su9-mCherry-GFP报告系统证实T57D显著激活线粒体自噬（Pearson系数降低）
• 自噬抑制剂3-MA可阻断PLK1介导的PDHA1降解

5. PDHA1磷酸化促进肿瘤生长
• CrT细胞中T57D表达增强体内外增殖能力，而T57A突变体抑制肿瘤生长

结论与意义
该研究首次阐明PLK1通过磷酸化PDHA1-Thr⁵⁷破坏线粒体功能的正反馈循环：PLK1上调→PDHA1磷酸化→PDHc解体→OXPHOS抑制→线粒体损伤→自噬激活→PDHA1进一步降解。这一发现不仅揭示了Cr(VI)致癌的新机制，还为肺癌治疗提供了双重靶向策略（PLK1抑制剂联合PDK抑制剂）。研究创新性体现在：

1. 发现PLK1在代谢调控中的非经典功能
2. 解析PDHA1-Thr⁵⁷磷酸化作为连接环境致癌与代谢重编程的关键节点
3. 临床相关性证实PLK1^high/PDHA1^low与肺癌不良预后相关

论文发表于《Journal of Biological Chemistry》，为环境致癌物诱导的肿瘤代谢干预提供了理论依据。