PGC1α/ERRα转录轴通过上调PHD2驱动HIFα蛋白酶体降解抑制前列腺癌进展

《CELL DEATH AND DIFFERENTIATION》：PGC1α-mediated upregulation of PHD2 represses HIF-signaling, limiting prostate cancer progression

　　

PPARγ辅激活因子1α（PGC1α）是代谢的主转录共调控因子，其活性与前列腺癌（PCa）中缺氧信号通路的诸多效应相似。PGC1α通过其与雌激素相关受体α（ERRα）的结合抑制PCa进展，并且是患者预后较好的预测指标；而缺氧信号通路则与不良预后相关。然而，两者在PCa中的相互作用仍知之甚少。本研究表明，PGC1α/ERRα复合体可降低缺氧诱导转录因子α（HIFα）的蛋白水平。此外，PGC1α的缺失与自分泌性假性缺氧状态的建立相关。在机制层面，由PGC1α和ERRα形成的转录复合体结合于EGLN1基因启动子，诱导PHD2（脯氨酰羟化酶2）表达，进而触发经典的HIFα蛋白酶体降解途径。该机制具有氧依赖性，因此在严重缺氧条件下受到抑制。重要的是，这一调控轴为PGC1α/ERRα复合体的抑癌活性提供了新的组成要素。具体而言，沉默EGLN1可在体外（in cellulo）和体内（in vivo）部分逆转PGC1α介导的PCa抑癌特性。人类PCa数据集中PGC1α/ERRα活性与EGLN1表达水平之间的正相关性进一步支持了研究人员的发现。综上所述，这些结果证明PHD2调控的HIFα降解是PGC1α/ERRα介导的PCa抑制的重要机制。

**论文解读**

**一、研究背景与科学问题**

近一个世纪前，Otto Warburg首次观察到肿瘤细胞即使在有氧条件下也依赖发酵产生能量，这一现象被称为瓦伯格效应（Warburg Effect），此后代谢重编程被确立为肿瘤细胞的标志性特征。在前列腺癌（PCa）中，由PPARGC1A基因编码的转录共激活因子PGC1α（PPARγ辅激活因子1α）作为代谢主调控因子，通过抑制肿瘤细胞增殖、迁移、侵袭和转移发挥抑癌功能。机制上，PGC1α的抑癌作用主要通过其与核受体ERRα（雌激素相关受体α）的结合介导。与此同时，肿瘤微环境（TME）中的缺氧是促进肿瘤进展的关键因素。缺氧通过缺氧诱导转录因子（HIF）家族驱动适应性转录程序，其中HIFα亚基（包括HIF1α和HIF2α）的稳定性受脯氨酰羟化酶（PHD1-3，由EGLN2、EGLN1和EGLN3分别编码）以氧依赖性方式调控：常氧下PHD2作为主要氧传感器羟化HIFα，使其被VHL（von Hippel-Lindau蛋白）识别并经泛素化-蛋白酶体途径降解；缺氧时PHD活性受抑，HIFα稳定积累。尽管已知PGC1α抑制PCa进展而缺氧信号与不良预后相关，但两者在PCa中的相互作用机制一直未被阐明。

**二、主要技术方法概述**

研究人员利用多西环素（doxycycline）诱导性Pgc1α过表达慢病毒系统在PC3（雄激素受体阴性）和LNCaP（雄激素受体阳性）两种PCa细胞系中开展体外实验；通过CRISPR/Cas9技术构建ERRα敲除细胞及shRNA介导的EGLN1稳定沉默细胞系；采用药理学抑制剂（XCT790抑制ERRα、DMOG抑制PHD、MG132和lactacystin抑制蛋白酶体）进行通路验证。体内实验包括：将PC3诱导性Pgc1α细胞皮下接种于无胸腺裸鼠构建异种移植瘤模型，并利用Pten^pc?/?; Ppargc1a^pc?/?双敲除遗传工程小鼠模型（GEMM）及肿瘤源性类器官进行验证；通过心内注射转移模型评估转移能力。分子技术涵盖RT-qPCR、免疫印迹（Western blot）、染色质免疫沉淀（ChIP-qPCR）、免疫组织化学染色及Hypoxyprobe缺氧探针检测。临床相关性分析使用了Taylor、Fraser和Robinson三个独立PCa患者数据集。

**三、主要研究结果**

**（1）PGC1α通过ERRα下调HIF靶基因表达和HIFα蛋白水平**

在PC3和LNCaP细胞中诱导PGC1α表达可显著抑制HIF靶基因（CA9、LDHA、BNIP3）的mRNA水平及HIF1α、HIF2α蛋白水平。CRISPR/Cas9介导的ERRα敲除完全消除了PGC1α对HIF信号和HIF1α蛋白的抑制能力；ERRα反向激动剂XCT790处理可部分挽救该抑制效应，且挽救程度与ERRα抑制程度成比例关系，证实ERRα是PGC1α依赖性抑制HIF信号通路的主要转录因子。

**（2）PGC1α在体内PCa模型中降低HIF信号输出和HIFα蛋白丰度**

在皮下异种移植瘤中，PGC1α表达显著降低HIF靶基因表达和HIF1α蛋白水平。在Pten^pc?/?; Ppargc1a^pc?/?双敲除小鼠前列腺肿瘤中，HIF1α、HIF2α水平和Ca9表达均显著高于Pten^pc?/?; Ppargc1a^pc+/+对照。有趣的是，Hypoxyprobe与HIF1α双染色显示，在PGC1α存在时两者呈显著正相关，而PGC1α缺失时该相关性消失，表明PGC1α缺失使HIF1α积累扩展至氧供充足的区域。

**（3）PGC1α对HIF1α的调控具有氧依赖性并需要经典氧感知通路**

PGC1α在常氧（21% O₂）和中度缺氧（5% O₂）条件下均可抑制HIF信号，但在严重缺氧（1% O₂）下该效应被消除。PHD广谱抑制剂DMOG（二甲基草酰甘氨酸）和蛋白酶体抑制剂MG132均可阻断PGC1α对HIF1α的下调作用。抗氧化剂NAC和促氧化剂BSO/H₂O₂处理不影响PGC1α对HIF1α的调控，谷氨酰胺撤除或谷氨酰胺酶抑制剂BPTES处理亦然，表明ROS水平和谷氨酰胺代谢并非该调控的主要因素。

**（4）PGC1α-ERRα-EGLN1/PHD2轴控制HIF1α积累**

PGC1α选择性诱导EGLN1 mRNA和PHD2蛋白表达，该作用依赖于ERRα。蛋白酶体抑制条件下，PGC1α诱导可增加羟化HIF1α（Pro564）水平，证实PHD2酶活性增强。ChIP-qPCR显示PGC1α和ERRα均结合于EGLN1启动子区域，且ERRα占有率在PGC1α诱导后显著增加。对三种PHD亚型分别进行siRNA沉默，仅EGLN1/PHD2沉默能损害PGC1α对HIF1α的抑制能力，证实该效应特异性依赖于PHD2。

**（5）PGC1α-PHD2-HIF轴在前列腺癌进展中发挥关键作用**

集落形成实验中，EGLN1沉默部分逆转了PGC1α对集落形成的抑制。在肿瘤发生（tumor initiation）皮下异种移植实验中，PGC1α表达在shControl细胞中显著延迟肿瘤出现并延长无病生存期；shEGLN1细胞中，基因沉默不仅延迟了基础肿瘤形成，还削弱了PGC1α的抑癌效应。在心内注射转移模型中，PGC1α对头部转移负荷的抑制效应在shEGLN1细胞中大部分被消除。最后，在三个独立PCa患者数据集中，PGC1α-ERRα转录活性特征评分与EGLN1表达水平均呈显著正相关，证实该调控轴在人类原发性和转移性PCa标本中的临床相关性。

**四、讨论与结论**

本研究揭示了PGC1α与缺氧信号在PCa中的全新调控关系。与黑色素瘤中PGC1α缺失通过增加ROS抑制PHD2活性的机制不同，在PCa中PGC1α/ERRα复合体直接转录激活EGLN1/PHD2，这是首个被描述的不依赖于HIF介导的负反馈环路（即通过缺氧响应元件HRE）的EGLN1转录调控机制。PGC1α缺失导致的假性缺氧状态使HIFα积累超越缺氧区域，这与VHL、SDH（琥珀酸脱氢酶）或FH（延胡索酸水合酶）等抑癌基因突变导致的HIF信号组成性激活在表型上汇合，共同促进肿瘤内时空异质性和恶性进展。EGLN1/PHD2沉默对PGC1α抑癌功能的部分挽救（在集落形成、肿瘤发生和转移模型中一致观察到）表明，PGC1α/ERRα-PHD2-HIF1α轴是PCa侵袭性的关键调控通路。研究结论指出，PHD2调控的HIFα降解是PGC1α/ERRα介导的PCa抑制的重要贡献机制，恢复PGC1α-PHD2功能或靶向HIFα稳定化/信号传导可能为PCa患者提供有前景的治疗干预策略。