ZC3H4通过调控线粒体复合体I功能抑制前列腺基质细胞衰老和失巢凋亡抵抗的新机制

《Cell Death & Disease》：ZC3H4, a novel regulator of mitochondrial complex I, impacts prostate stromal cell senescence, attachment, adhesion and anoikis resistance

本研究针对良性前列腺增生(BPH)中线粒体功能下降的机制展开探索。研究人员发现锌指蛋白ZC3H4在BPH组织中表达下调，并通过体外实验证明ZC3H4缺失会诱导线粒体复合体I(CI)功能障碍，导致活性氧(ROS)增加、NAD+/NADH比率失衡，进而引发应激性早熟衰老(SIPS)和失巢凋亡抵抗。该研究首次揭示了ZC3H4在前列腺基质稳态维持中的关键作用，为BPH的发病机制提供了新的治疗靶点。

　　

随着年龄增长，良性前列腺增生(BPH)已成为困扰全球中老年男性的常见疾病。虽然BPH本身是良性疾病，但其引起的下尿路症状严重影响患者生活质量。近年来研究发现，BPH组织中存在明显的线粒体功能异常，特别是线粒体复合体I(CI)活性显著下降。然而，这种线粒体功能障碍如何参与BPH的发生发展，其背后的分子机制尚不明确。

为了解答这一科学问题，研究团队以人前列腺基质细胞系BHPrS1为模型，创新性地将糖酵解限制与CI抑制相结合，模拟BPH中的能量代谢紊乱状态。研究发现，当细胞在半乳糖(强制依赖氧化磷酸化)条件下生长时，低剂量鱼藤酮(50 nM)即可显著降低ATP水平，诱导细胞出现应激性早熟衰老(SIPS)表型，表现为细胞体积增大、脂褐素积累和IL-6表达上调。

更为有趣的是，研究人员观察到糖酵解限制联合CI抑制会引发前列腺基质细胞的大规模脱落，但这些脱落细胞并非走向死亡，而是形成了具有活力的细胞簇，表现出失巢凋亡抵抗的特性。这一现象提示细胞可能通过某种适应性机制在能量应激条件下存活。

通过分析BPH单细胞RNA测序数据，研究团队发现锌指蛋白ZC3H4在BPH组织的平滑肌细胞中表达下调。免疫荧光染色进一步证实ZC3H4蛋白在BPH组织的上皮和基质区室中均显著减少。在功能上，ZC3H4敲低可完美模拟CI抑制的表型，诱导线粒体活性氧(mtROS)增加、线粒体碎片化、NAD⁺/NADH比率降低，以及细胞衰老和失巢凋亡抵抗。

机制上，ZC3H4敲低导致线粒体膜电位升高，但以丙酮酸和棕榈酰肉碱为底物的线粒体呼吸能力显著下降，表明ZC3H4通过调控CI功能影响线粒体能量代谢。研究人员还发现ZC3H4可能通过调节多个核编码的CI亚基基因的表达来影响CI功能。

本研究主要采用了以下关键技术方法：使用人前列腺基质细胞系BHPrS1和原代BPH患者来源的基质细胞进行体外实验；通过糖酵解限制(半乳糖培养基)和CI抑制剂(鱼藤酮)处理模拟线粒体应激；利用免疫荧光染色、蛋白质印迹、JC-1线粒体膜电位检测、MitoSOX活性氧测定、高分辨率线粒体呼吸测量等技术评估细胞表型和线粒体功能；通过组织微阵列(TMA)分析人BPH和正常前列腺组织中ZC3H4的表达。

ZC3H4缺失诱导线粒体功能障碍和细胞衰老

研究发现，ZC3H4敲低显著增加了BHPrS1细胞中苏丹黑B阳性细胞的比例，表明细胞衰老水平升高。同时，ATP水平在糖酵解和糖酵解限制条件下均显著降低。这些结果表明ZC3H4缺失足以诱导线粒体功能障碍和细胞衰老表型，而不依赖于外源性CI抑制剂。

ZC3H4调控前列腺基质细胞粘附特性

ZC3H4敲低诱导了BHPrS1细胞的大规模脱落和细胞簇形成，特别是在糖酵解限制条件下更为明显。集落形成实验证实，这些脱落的siZC3H4细胞在重新接种后能够形成集落，表明它们具有存活和增殖能力，即表现出失巢凋亡抵抗特性。

ZC3H4影响细胞外基质重塑

免疫荧光染色显示，ZC3H4敲低显著增加了纤维连接蛋白的表达，这可能是促进细胞簇形成和失巢凋亡抵抗的重要机制。然而，ZC3H4敲低并不影响其他上皮-间质转化(EMT)标志物如E-钙黏蛋白、N-钙黏蛋白或波形蛋白的表达。

ZC3H4缺失导致线粒体功能异常

在机制层面，ZC3H4敲低显著增加了线粒体活性氧(mtROS)水平，并增强了细胞对低剂量鱼藤酮(10 nM)的敏感性。线粒体网络形态分析显示ZC3H4敲低导致线粒体碎片化增加。此外，ZC3H4敲低在半乳糖条件下显著降低了NAD⁺水平，提高了NADH水平，导致NAD⁺/NADH比率显著降低。

ZC3H4调控线粒体呼吸功能

高分辨率线粒体呼吸测量分析表明，ZC3H4敲低显著降低了以NADH关联底物(丙酮酸)或棕榈酰肉碱为底物的线粒体呼吸能力。这表明ZC3H4是维持正常线粒体CI功能所必需的。

本研究首次揭示了ZC3H4作为线粒体CI功能的新型调节因子，在前列腺基质细胞稳态维持中发挥关键作用。ZC3H4表达下调会诱导线粒体功能障碍，导致氧化应激增加、能量代谢紊乱，进而引发细胞衰老和基质重塑。这些发现为理解BPH的发病机制提供了新的视角，表明ZC3H4可能成为治疗BPH的潜在靶点。

研究结果还提示，ZC3H4可能通过调控核编码的CI亚基基因的表达来影响线粒体功能。鉴于ZC3H4在转录终止中的已知功能，其可能通过调节特定基因的表达网络，影响多个与纤维化、炎症和能量代谢相关的通路。这些发现不仅对前列腺疾病具有重要意义，也可能为其他与年龄相关的线粒体功能障碍疾病提供新的治疗思路。

需要指出的是，ZC3H4在不同细胞类型中可能发挥不同的功能，正如在肺纤维化中观察到的那样。在前列腺中，ZC3H4可能在上皮细胞和基质细胞中以细胞特异性方式参与BPH的病理过程。未来的研究需要进一步阐明ZC3H4调控线粒体功能的具体分子机制，以及其在前列腺组织不同细胞类型中的特异性功能。

总的来说，这项研究为我们理解年龄相关性前列腺疾病的发生机制提供了重要线索，揭示了ZC3H4-线粒体轴在维持前列腺稳态中的关键作用，为开发新的治疗策略奠定了理论基础。