揭示线粒体蛋白UQCC3调控VEGF表达的上游分子机制

血管生成在胚胎发育和肿瘤生长过程中都发挥着关键作用[1]。作为一个多步骤、多因素的复杂过程，血管生成过程受到精密的调控，其中血管内皮生长因子（Vascular endothelial growth factor, VEGF）是最重要的因子。VEGF的表达受到低氧诱导因子（Hypoxia inducible factors, HIFs）的调控，在常氧条件下HIF-1α会被脯氨酸羟化酶(Prolyl hydroxylases，PHDs)羟化，再经泛素-蛋白酶体途径降解。低氧条件下，由于细胞内活性氧（Reactive oxygen species , ROS）增加，PHDs活性被抑制，HIF-1α转位到细胞核并与HIF-1β结合，进而促进VEGF的表达[2,3]。关于ROS生成、HIF-1α稳定和VEGF的调控机制已有较充分的研究，但在低氧条件下，涉及线粒体的上游机制目前仍不十分清楚。

线粒体作为感知氧浓度波动的重要亚细胞器，对ROS产生、HIF-1α蛋白稳定、细胞能量代谢以及对低氧环境的适应均非常重要[4]。线粒体复合体III是ROS产生的重要场所，参与血管生成的调控[5]，但详细机制尚未完全阐明。泛醇-细胞色素C还原酶复合物组装因子3（Ubiquinol-Cytochrome C Reductase Complex Assembly Factor 3, UQCC3）是一个新发现的线粒体复合体III组成因子，对低氧环境下线粒体结构和功能的维持，以及复合体III的组装和功能都有重要的影响[6-9]。杨寒朔团队最新研究发现，低氧下表达上调的UQCC3通过影响线粒体ROS的生成，调控HIF-1α蛋白的稳定和VEGF的表达，从而对胚胎发育和肿瘤生长过程中的血管生成发挥了关键作用，揭示了VEGF表达调控的上游分子机制。

通过TALEN技术敲除小鼠UQCC3后，小鼠在受精后9.5-10.5天发生胚胎致死，并且血管密度明显降低。同样，在斑马鱼中敲除UQCC3也会导致斑马鱼血管发育受损，生存期缩短。肿瘤细胞中敲除UQCC3导致肿瘤生长减缓，肿瘤血管生成受到抑制。机制上，在低氧条件下UQCC3表达上调，促进ROS产生，进而增强HIF-1α稳定并促进VEGF表达。最后，作者发现UQCC3高表达与多种肿瘤的不良预后相关。综上，该研究发现了在胚胎发育和肿瘤生长过程中，UQCC3通过ROS/HIF-1α/VEGF通路调控血管生成。

作者基于TALEN技术构建了UQCC3杂合敲除小鼠(UQCC3^+/-)，但在后代中却未检测到纯合敲除小鼠，进一步分析发现UQCC3纯合敲除胚胎在受精后的9.5-10.5天死亡。随后，作者对UQCC3纯合敲除引起胚胎致死的原因进行研究，发现UQCC3敲除后，小鼠胚胎血管发育受损。在斑马鱼模型中也观察到类似现象，UQCC3敲除后斑马鱼血管发育受损，生存期缩短（图1）。以上结果表明，UQCC3对胚胎血管生成及胚胎生长发育有重要影响。

图1 UQCC3敲除导致胚胎发育过程中血管生成受损。

（图源：Guimin Zhang, et al., iScience, 2023）

为了进一步研究UQCC3在病理条件下对肿瘤生长和血管生成的影响。作者首先构建了UQCC3敲除的肿瘤细胞系，并利用斑马鱼受精后30天内光学透明的特点，将肿瘤细胞接种至EGFP标记内皮细胞的转基因斑马鱼（Flk1:EGFP)）中，然后观察肿瘤血管生成情况[10]。发现UQCC3敲除后肿瘤生长速度减缓，同时肿瘤血管生成显著减少，在小鼠皮下移植瘤模型中也观察到类似的现象。为了进一步研究UQCC3在肿瘤发生发展中的作用，作者构建了肝脏特异性敲除UQCC3的小鼠，并通过水动力注射诱导自发性肝癌[11]，也同样发现UQCC3敲除导致肿瘤血管生成受抑，肿瘤生长缓慢（图2）。以上结果说明UQCC3是调控肿瘤生长和肿瘤血管生成的关键分子。

图2 UQCC3敲除导致肿瘤血管生成受损。

（图源：Guimin Zhang, et al., iScience, 2023）

为了深入研究UQCC3调控血管生成的分子机制，作者研究发现UQCC3低氧环境下高表达与，UQCC3敲除后调控VEGF的关键转录因子HIF-1α表达水平下降，同时VEGF表达也显著下降（图3）。相反，过表达UQCC3则能增加低氧下VEGF的表达。

图3 UQCC3表达与低氧相关，敲除UQCC3后HIF-1α与VEGF表达下降。

（图源：Guimin Zhang, et al., iScience, 2023）

UQCC3是线粒体复合体III的重要组成蛋白，敲除后线粒体功能受损，ROS产生减少。线粒体ROS是稳定HIF-1α的关键分子，过表达UQCC3的同时敲除HIF-1α或清除ROS不能使得VEGF表达升高；而敲除UQCC3的同时过表达HIF-1α或外源性补充ROS则能增加VEGF的表达。以上结果说明，UQCC3是调控ROS/HIF-1α/VEGF通路的关键上游分子，通过调控VEGF的表达来促进血管生成，进而促进胚胎发育和肿瘤生长（图4）。此外，作者还发现较正常组织，UQCC3在肿瘤组织中高表达，且与多种肿瘤的不良预后呈正相关。

图4 通过ROS/HIF-1α/VEGF通路调控血管生成，促进胚胎发育和肿瘤生长。

（图源：Guimin Zhang, et al., iScience, 2023）

文章结论与讨论，启发与展望

该研究发现线粒体蛋白UQCC3在胚胎发育和肿瘤生长过程中对血管生成发挥重要调控作用。在低氧条件下，UQCC3高表达能促进肿瘤细胞对低氧环境的适应，并通过产生ROS稳定HIF-1α进而促进VEGF表达，从而调控肿瘤血管生成。因此，该研究发现了调控血管生成的上游关键分子，加深了对血管生成机制的理解，为肿瘤的抗血管生成治疗提供了新的视角与靶点。然而UQCC3调控线粒体ROS的具体分子机制还未明确，UQCC3作为肿瘤抗血管治疗的潜在靶点也亟待进一步的探索和研究。