線粒體功能異常與腫瘤的生成

湯春鈴，向仲懷，崔紅娟

西南大學(xué) 家蠶基因組生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400716

線粒體是真核細(xì)胞內(nèi)一種重要的細(xì)胞器。1890年，德國生物學(xué)家Altmann通過光學(xué)顯微鏡在動(dòng)物細(xì)胞中觀察到線粒體的存在。隨后人們對(duì)線粒體的結(jié)構(gòu)、功能等方面的認(rèn)識(shí)逐步深入。最初線粒體被認(rèn)為是“細(xì)胞的動(dòng)力工廠”，隨后發(fā)現(xiàn)它也是細(xì)胞凋亡和自噬的關(guān)鍵角色以及核外遺傳物質(zhì)的提供者等，其實(shí)它在細(xì)胞中充當(dāng)?shù)慕巧⒉幌抻诖?。比如線粒體功能障礙對(duì)腫瘤的發(fā)生起著重要作用。在分子、生物化學(xué)、代謝和遺傳水平上，正常細(xì)胞的線粒體明顯異于腫瘤細(xì)胞的線粒體，同時(shí)腫瘤細(xì)胞表現(xiàn)的無限增殖、抵抗凋亡、逃避免疫監(jiān)督、侵襲與轉(zhuǎn)移以及出現(xiàn)異常的代謝途徑等標(biāo)志性特征也都與其線粒體有著密切的關(guān)系[1]。

與腫瘤相關(guān)的各種信號(hào)通路、基因突變以及微環(huán)境等似乎都傾向于靶向線粒體功能的調(diào)節(jié)來參與腫瘤的發(fā)生進(jìn)程。我們前期的研究結(jié)果表明，特異地抑制參與神經(jīng)母細(xì)胞瘤增殖與生長相關(guān)的 Sonic Hedgehog信號(hào)通路可以激活線粒體參與的凋亡途徑[2]；在結(jié)腸癌中，參與線粒體凋亡途徑激活的 Bax蛋白在死亡受體介導(dǎo)的凋亡過程中是必需的[3]；除此之外，轉(zhuǎn)錄因子 N-myc能夠通過與線粒體相關(guān)的信號(hào)途徑參與調(diào)節(jié)神經(jīng)母細(xì)胞的抗凋亡生物學(xué)特性[4]。

因此，深入研究線粒體功能異常在腫瘤細(xì)胞發(fā)生中充當(dāng)?shù)慕巧?，?duì)于認(rèn)識(shí)腫瘤發(fā)生及發(fā)展這一多種信號(hào)網(wǎng)絡(luò)交錯(cuò)調(diào)控的復(fù)雜過程，包括癌基因激活、抑癌基因失活、細(xì)胞調(diào)亡異常以及DNA損傷修復(fù)功能異常等方面，以及腫瘤的診斷與治療都有著深遠(yuǎn)的意義。

1 線粒體代謝異常

1.1 腫瘤細(xì)胞能量代謝特點(diǎn)

有氧糖酵解是癌細(xì)胞能量代謝的標(biāo)志之一。早在90年代Otto Warburg博士發(fā)現(xiàn)癌細(xì)胞中絕大多數(shù)的ATP是通過糖酵解產(chǎn)生的，即使在高氧條件下也能夠上調(diào)糖酵解途徑并產(chǎn)生更多的乳酸，這就是著名的 Warburg效應(yīng)[5]。Warburg認(rèn)為這種有氧糖酵解是腫瘤細(xì)胞的一個(gè)普遍性特點(diǎn)，而且腫瘤的發(fā)生是由于線粒體的代謝損傷引起的，因此可以通過抑制線粒體的氧化磷酸化，降低腫瘤細(xì)胞線粒體的活性，使其達(dá)不到存活所必需的能量值，最終達(dá)到消除腫瘤細(xì)胞。此外，大部分的腫瘤細(xì)胞能夠通過增加葡萄糖的攝入來補(bǔ)充合成代謝的碳源。通過正電子斷層造影術(shù)(Positron emission tomography，PET)，利用葡萄糖的類似物FDG (Fluorodeoxyglucose)可以在臨床上明顯地觀察到腫瘤細(xì)胞大量攝入葡萄糖的現(xiàn)象，將FDG-PET和CT (Computed tomography)技術(shù)的結(jié)合，可使檢測(cè)絕大多數(shù)上皮類型癌癥轉(zhuǎn)移方面的靈敏度和特異性達(dá)到90%以上[6]。

腫瘤細(xì)胞這種特異的能量代謝方式對(duì)于其適應(yīng)不同的微環(huán)境、維持無限增殖以及遠(yuǎn)端侵襲能力、提供快速生長所需的合成代謝原料等各方面的特征是必要的。例如腫瘤細(xì)胞可以利用有氧糖酵解的主要產(chǎn)物乳酸來維持酸性環(huán)境、促進(jìn)自身的侵襲以及抑制抗癌免疫有效因子等[7]；同時(shí)，分泌的乳酸可以通過單羧酸鹽運(yùn)載體被基質(zhì)細(xì)胞吸收，并產(chǎn)生丙酮酸再次提供給癌細(xì)胞充當(dāng)代謝原料[8]。更為重要的是，腫瘤細(xì)胞能夠利用糖酵解途徑產(chǎn)生的中間產(chǎn)物進(jìn)行合成代謝，例如葡萄糖-6-磷酸可用于糖原以及核糖-5-磷酸的合成；二羥丙酮磷酸可用于三酰甘油和磷脂的合成；丙酮酸可用于丙氨酸和蘋果酸的合成[9]。由此可見，腫瘤細(xì)胞為了適應(yīng)自身生長的特點(diǎn)，對(duì)整個(gè)能量代謝途徑進(jìn)行了重編，以一種看似更為原始和簡(jiǎn)潔的方式進(jìn)行，很顯然，腫瘤細(xì)胞偏向這種無利可圖的能量代謝途徑不僅僅只是為了產(chǎn)生ATP。

1.2 線粒體代謝變化及分子調(diào)控機(jī)制

1.2.1 線粒體自身損傷

腫瘤細(xì)胞代謝重編的機(jī)制是復(fù)雜的，其中線粒體自身的損傷是其原因之一。腫瘤細(xì)胞的線粒體相對(duì)較小，缺少嵴，ATP合酶的 β-F1亞基受損，因此在氧化磷酸化方面表現(xiàn)出一定的缺陷。例如在肝癌的研究過程中發(fā)現(xiàn)，通過寡霉素抑制氧化磷酸化會(huì)引起糖酵解的快速增加，表明在線粒體產(chǎn)能受到抑制時(shí)，腫瘤細(xì)胞可以通過糖酵解進(jìn)行產(chǎn)能[10]。但當(dāng)糖酵解受到抑制時(shí)，腫瘤細(xì)胞卻不能充分上調(diào)線粒體的氧化磷酸化水平，這說明了腫瘤細(xì)胞中存在部分的線粒體損傷[11]。另外，在腫瘤細(xì)胞中普遍存在著線粒體DNA突變，其中突變的mtDNA參與編碼NADH脫氫酶亞基2，而該酶能夠刺激有氧糖酵解、活性氧(Reaetiveoxygen species，ROS)的產(chǎn)生以及腫瘤的生長[12]。

1.2.2 HIF參與線粒體功能抑制

除了線粒體自身缺陷外，低氧誘導(dǎo)因子HIF也是線粒體功能障礙的一個(gè)主要因素。同時(shí)，HIF還是有氧糖酵解發(fā)生的主要因素，并受低氧壓力、癌基因、炎癥反應(yīng)以及代謝和氧化壓力等因素的影響。最近的研究表明，HIF-1除能上調(diào)對(duì)葡萄糖的利用起促進(jìn)作用的酶的表達(dá)水平之外，還能抑制腫瘤細(xì)胞中線粒體的功能，這些都揭示了線粒體能夠調(diào)節(jié)糖酵解與氧化磷酸化之間的反饋調(diào)節(jié)關(guān)系。此外，HIF-1還能抵消Myc對(duì)線粒體生物合成的刺激，從而降低線粒體的活性[12]；同時(shí)，HIF-1還能與c-Myc相互協(xié)作，通過誘導(dǎo)己糖激酶2 (HK2)以及丙酮酸脫氫酶1 (PDK1)的表達(dá)，達(dá)到促進(jìn)有氧糖酵解的目的[13]。此外，在低氧條件下，HIF-1能調(diào)節(jié)細(xì)胞色素氧化酶COX的表達(dá)，使COX改變其亞基組成以使其達(dá)到最優(yōu)化的活性：COX4-2亞基表達(dá)增加，而COX4-1亞基的表達(dá)由于線粒體蛋白 LON的激活而下降，同時(shí)COX4-1亞基能提高COX在有氧條件下的活性[14]。

1.2.3 p53與線粒體功能調(diào)節(jié)

近來的研究表明，p53除了作為細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)的中心調(diào)控者外，還能夠調(diào)節(jié)糖酵解通路和線粒體氧化磷酸化之間的平衡[15]。p53誘導(dǎo)的糖酵解和凋亡調(diào)節(jié)因子 (p53-induced glycolysis and apoptosis-regulator，TIGAR)以及細(xì)胞色素C氧化合成酶2 (Synthesis of cytochrome c oxidase 2，SCO2)在該平衡調(diào)節(jié)中也起著關(guān)鍵作用，TIGAR的表達(dá)會(huì)降低細(xì)胞中果糖-2,6-二磷酸鹽的水平，在抑制糖酵解途徑的同時(shí)促進(jìn)戊糖磷酸途徑產(chǎn)生NADPH[16]。而SCO2與SCO1相互協(xié)調(diào)共同組裝成細(xì)胞色素C氧化酶，當(dāng)SCO2異常表達(dá)時(shí)可導(dǎo)致 ROS的增加，進(jìn)而影響線粒體的氧化磷酸化功能[17]。這表明腫瘤中p53基因的突變會(huì)導(dǎo)致COX的缺陷，同時(shí)將能量代謝轉(zhuǎn)移到有氧糖酵解途徑，最終表現(xiàn)出線粒體呼吸作用的下降。

在腫瘤代謝重編過程中，線粒體可能是作為各種調(diào)控因子的作用靶點(diǎn)以及反饋中心，線粒體自身代謝功能的改變承接著腫瘤細(xì)胞所具有的代謝特性。進(jìn)一步認(rèn)識(shí)線粒體在腫瘤發(fā)生、發(fā)展過程中自身代謝功能的轉(zhuǎn)變，以及其在腫瘤細(xì)胞代謝重編過程中所扮演的角色，將對(duì)腫瘤的早期診斷及治療提供新的思路。

2 線粒體膜穩(wěn)定性

2.1 線粒體膜穩(wěn)定性變化

作為細(xì)胞凋亡內(nèi)源途徑中心位置線粒體，其膜的穩(wěn)定性在凋亡過程中扮演著重要的角色。在一系列凋亡信號(hào)的刺激性下，線粒體外膜的通透性增加，隨之釋放出線粒體內(nèi)的凋亡因子包括細(xì)胞色素C及其他蛋白因子，凋亡因子一旦進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)就會(huì)和其他的銜接分子如凋亡蛋白酶激活因子 1 (Apaf1)、caspase-9前體等結(jié)合實(shí)現(xiàn)募集和激活，激活的caspase-9則對(duì)下游的caspase-3前體和caspase-7前體進(jìn)行剪切和激活，caspases負(fù)責(zé)細(xì)胞內(nèi)各種蛋白質(zhì)的剪切，從而表現(xiàn)出一系列細(xì)胞凋亡的生物化學(xué)和形態(tài)學(xué)特點(diǎn)。因此，線粒體外膜的透化作用被認(rèn)為是凋亡過程早期階段的重要事件[18]。在凋亡過程中，線粒體膜的穩(wěn)定性變化涉及到線粒體內(nèi)外膜上一系列蛋白分子和膜上某些特異的結(jié)構(gòu)變化以及膜內(nèi)外參與調(diào)節(jié)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、激活、沉默等事件。

2.2 參與線粒體膜穩(wěn)定性調(diào)節(jié)的信號(hào)分子

2.2.1 Bcl-2蛋白家族與線粒體膜穩(wěn)定性

Bcl-2 (B淋巴瘤細(xì)胞蛋白 2)蛋白是從濾泡B細(xì)胞瘤中獲得的第一個(gè)抗凋亡蛋白，位于線粒體的外膜上。目前，已有30種以上的Bcl-2家族相關(guān)蛋白被鑒定出來，包括 Bcl-2亞家族 (主要起抑制細(xì)胞凋亡的作用，如Bcl-2、Bcl-Xl、Bcl-W、Mcl-l等)，Bax亞家族 (主要起促進(jìn)細(xì)胞凋亡的作用，如Bax、Bak、Bok等)，Bcl-2同源結(jié)構(gòu)域亞家族 (主要起促進(jìn)細(xì)胞凋亡的作用，如 Bik、Bad、Bid等)。當(dāng)出現(xiàn)凋亡信號(hào)刺激時(shí)，起促凋亡作用的蛋白成員會(huì)改變細(xì)胞構(gòu)型并參與外膜通透性的變化，從而激發(fā)促凋亡的活性[19]。在凋亡過程中，線粒體外膜透化作用的發(fā)生需要由Bax與剪切形式的Bid結(jié)合形成的寡聚式的Bax，而抗凋亡蛋白如Bcl-2、Bcl-Xl、Bcl-W等通過與Bax、Bak的前體結(jié)合，進(jìn)而阻止凋亡前體蛋白發(fā)生寡聚化。因此，線粒體外膜上促凋亡蛋白與抑制凋亡蛋白間的平衡是凋亡是否發(fā)生的關(guān)鍵所在，在腫瘤細(xì)胞中這2種蛋白是不成比例的，進(jìn)而抑制了凋亡的發(fā)生。

Bcl-2家族蛋白的不平衡可以通過電壓依賴的離子通道 (Voltage-dependent anion channel，VDAC)間接地維持線粒體外膜的穩(wěn)定。VDAC是線粒體外膜上的1種蛋白，主要負(fù)責(zé)線粒體和細(xì)胞質(zhì)之間代謝物質(zhì)的流通，當(dāng)其受到刺激進(jìn)而關(guān)閉時(shí)會(huì)導(dǎo)致ATP-ADP交換抑制以及通過線粒體膜的代謝物質(zhì)減少，從而導(dǎo)致線粒體受損和細(xì)胞色素C釋放，最終引起細(xì)胞凋亡[20]。而抗凋亡蛋白Bcl-xL通過維持VDAC的開放狀態(tài)來抑制凋亡的發(fā)生。此外，近來的研究發(fā)現(xiàn)線粒體凋亡誘導(dǎo)通道 (Mitochondrial apoptosis-induced channels，MACs)也可以導(dǎo)致線粒體外膜發(fā)生透化作用[21]。位于線粒體外膜上的MACs為線粒體膜間隙中蛋白質(zhì)等物質(zhì)，特別是細(xì)胞色素C的流通提供了一種特異的通道。在某種程度上，MACs的通透性也表現(xiàn)出對(duì)Bcl-2家族蛋白的依賴性，MACs的必要成分中包括Bax，電生理特征與那些由Bax形成的通道非常相似，Bax的消耗會(huì)降低MACs的活性，同時(shí)Bcl-2的過表達(dá)則會(huì)阻止MACs的形成以及細(xì)胞色素C的釋放[22]。

2.2.2 ANT參與線粒體膜穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)

腺苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體 (Adenine nucleotide translocator，ANT)是線粒體內(nèi)膜上最豐富的蛋白質(zhì)，該蛋白除能催化線粒體產(chǎn)生的ATP與胞質(zhì)中的 ADP進(jìn)行交換外，還是線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔 (Mitochondrialpermeability transition Pore，MPTP)的關(guān)鍵成分[23]。MPTP可能主要由線粒體外膜的VDAC、內(nèi)膜的ANT以及線粒體基質(zhì)中的親環(huán)蛋白D構(gòu)成[24]。當(dāng)MPTP處于開放狀態(tài)時(shí)，由于小分子物質(zhì)通過線粒體內(nèi)膜使得內(nèi)膜膜電位下降、外膜破裂以及基質(zhì)腫脹，將最終導(dǎo)致一系列可溶性促凋亡蛋白 (如凋亡蛋白誘導(dǎo)因子)的釋放并引起后續(xù)的凋亡反應(yīng)[25]。對(duì)MDA-MB-231細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)染 ANT1的細(xì)胞發(fā)生了凋亡，而轉(zhuǎn)染ANT2則不會(huì)發(fā)生凋亡現(xiàn)象[26]。ANT1的過度表達(dá)伴隨著膜電位的降低、細(xì)胞色素 C的釋放等一系列凋亡反應(yīng)，而ANT2的過表達(dá)對(duì)細(xì)胞則沒有作用[27]。通過對(duì)經(jīng)過改造的人類細(xì)胞系中表達(dá)的ANT亞型進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其主要表達(dá)ANT2，而該亞型缺少ANT1具有的促凋亡活性[27]。這表明在腫瘤細(xì)胞中ANT2的過表達(dá)抑制了線粒體膜透化作用的發(fā)生，從而表現(xiàn)出抗凋亡的特性。

2.2.3 參與線粒體膜穩(wěn)定性調(diào)節(jié)的其他信號(hào)分子

在線粒體膜穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)過程中，己糖激酶在保護(hù)線粒體免受外膜發(fā)生透化作用的過程中也起著重要的作用。在4種亞型 (Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)的己糖激酶中，Ⅰ型和Ⅱ型直接與線粒體結(jié)合的能力十分異常，其 N-末端序列是與線粒體結(jié)合的關(guān)鍵[28]。絕大多數(shù)的腫瘤細(xì)胞都能夠特異地上調(diào)己糖激酶Ⅰ、Ⅱ的表達(dá)，它們?cè)谂cVDAC的相互作用中占用了原本是凋亡前體蛋白在線粒體外膜上的結(jié)合位置，從而抑制了凋亡的發(fā)生[28]。同時(shí)，己糖激酶還能夠參與MPTP開放的調(diào)節(jié)，己糖激酶Ⅰ型能夠引發(fā) VDAC的關(guān)閉從而抑制線粒體的活性，進(jìn)而保護(hù)線粒體免于形成MPTP[29]。除此之外，腫瘤細(xì)胞表現(xiàn)的轉(zhuǎn)錄因子p53的突變?nèi)笔Щ蛘呦抡{(diào)可能在抑制線粒體發(fā)生透化作用過程中發(fā)揮著重要作用。p53能夠調(diào)節(jié)Bcl-2同源結(jié)構(gòu)域亞家族蛋白的表達(dá)，上調(diào)凋亡調(diào)節(jié)因子 Puma和 Noxa，直接激活 Bax等，從而促進(jìn)凋亡過程中線粒體外膜的透化作用[30]。因此，腫瘤細(xì)胞中p53功能的缺失將通過多種機(jī)制調(diào)節(jié)Bcl-2家族蛋白的水平進(jìn)而促進(jìn)線粒體膜的穩(wěn)定性。另外，Akt/PKB通路的激活也能保護(hù)細(xì)胞免于凋亡。Akt的激活能夠抑制 p53介導(dǎo)的Bax的表達(dá)，Akt的激活形式能夠磷酸化凋亡前體蛋白Bad，阻止其與線粒體外膜相互作用[31]。而遺傳證據(jù)也表明己糖激酶與線粒體的持續(xù)結(jié)合需要 Akt的參與，這種結(jié)合將促進(jìn)己糖激酶與VDAC的相互作用，從而影響MPTP的開放狀態(tài)[32]。

在腫瘤發(fā)展過程中，細(xì)胞逐漸表現(xiàn)出抗凋亡的能力，因此打破參與凋亡過程調(diào)節(jié)的信號(hào)分子之間的平衡，特別是凋亡早期階段參與線粒體膜穩(wěn)定性調(diào)節(jié)的信號(hào)分子，將有助于腫瘤細(xì)胞的抗凋亡能力的解除。

3 線粒體DNA改變

3.1 mtDNA

線粒體DNA (Mitochondria DNA，mtDNA)是人類細(xì)胞核外唯一的遺傳物質(zhì)，約有 10個(gè)基因拷貝，基因組為一含有16 569個(gè)堿基對(duì)的環(huán)狀雙鏈DNA分子。根據(jù)基因產(chǎn)物在CsCl中的密度分布，可將雙鏈 DNA分子區(qū)分為一條重鏈 (H鏈)：含有編碼 2個(gè) rRNA (12S和 16S核糖體RNA)、14個(gè)tRNA以及12個(gè)蛋白質(zhì)多肽分子基因 (共28個(gè)基因)；另一條為輕鏈 (L鏈)：含有編碼8個(gè)tRNA及1個(gè)蛋白質(zhì)多肽分子基因 (共9個(gè)基因)。所編碼的13個(gè)蛋白為線粒體內(nèi)膜上與氧化磷酸化有關(guān)的 5個(gè)呼吸鏈復(fù)合體中的 13個(gè)亞基，分別為：細(xì)胞色素氧化酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ亞基，NADH脫氫酶的7個(gè)亞基，ATP酶的6、8亞基以及細(xì)胞色素b。除此之外，mtDNA上的D環(huán)區(qū) (位于16 028 bp～577 bp)是主要的非編碼區(qū)，控制著復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。線粒體基因組在核基因的調(diào)控與指導(dǎo)下進(jìn)行復(fù)制和轉(zhuǎn)錄并進(jìn)行自主性的蛋白質(zhì)翻譯，最后與核基因編碼的其余線粒體蛋白共同組成結(jié)構(gòu)與功能完整的線粒體。

3.2 mtDNA變化

3.2.1 mtDNA突變

與核 DNA (Nuclear DNA，nDNA)相比，mtDNA所具有的獨(dú)特結(jié)構(gòu)及功能特點(diǎn)決定了其具有易損傷及突變的特點(diǎn)。如mtDNA幾乎不含內(nèi)含子序列，除控制區(qū)外，相鄰的基因之間幾乎無非編碼基因；缺乏組蛋白及DNA結(jié)合蛋白保護(hù)；在細(xì)胞周期中合成能力活躍，但負(fù)責(zé)催化與復(fù)制的DNA聚合酶γ則缺乏校讀功能；位于鄰近氧化磷酸化的位置，易受到氧化損傷等。這些性質(zhì)使其成為誘導(dǎo)細(xì)胞癌變的潛在因素之一。在肝癌研究中，Nomoto等發(fā)現(xiàn)所有的病人標(biāo)本中出現(xiàn)了42%的C-tract缺失/插入突變，26%的錯(cuò)義、插入或者缺失突變，68%病人的mtDNA突變不出現(xiàn)于相應(yīng)的非腫瘤區(qū)域的 D環(huán)區(qū)[33]；在頭頸部癌變標(biāo)本的研究中，Ha等發(fā)現(xiàn)早期癌前病變存在mtDNA的MSI變化，且隨著病情的惡化，呈上升趨勢(shì)[34]。同時(shí)在非實(shí)體瘤的研究中，Jannife等發(fā)現(xiàn)，白血病病人的腫瘤細(xì)胞中存在特異的mtDNA環(huán)狀二聚體結(jié)構(gòu)，并隨著化療藥物的使用而減少[35]。這些都揭示了mtDNA在細(xì)胞癌變過程中可能是一個(gè)潛在的內(nèi)因或者作用靶標(biāo)，并為腫瘤細(xì)胞的維持包括增殖、代謝重編、抵抗凋亡等特征提供潛在動(dòng)力。

3.2.2 mtDNA拷貝數(shù)量變化

在細(xì)胞癌變過程中基因拷貝數(shù)量的變化也是其中的一個(gè)標(biāo)識(shí)，mtDNA拷貝數(shù)量的增多可能是一種滿足腫瘤細(xì)胞快速生長對(duì)能量需求變化的適應(yīng)性反應(yīng)[36]。在腎臟腫瘤的研究中，Simonner等發(fā)現(xiàn)，腫瘤的侵襲能力與mtDNA的拷貝數(shù)量呈正相關(guān)，而呼吸鏈復(fù)合體V在腎腫瘤中的含量均有下降[37]；在甲狀腺癌的研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)線粒體同樣表現(xiàn)出mtDNA含量的增加[38]。由此推斷，氧化磷酸化產(chǎn)能或者呼吸功能的下降可能有助于腫瘤細(xì)胞增加生長及侵襲的能力，而mtDNA作為對(duì)其的一種適應(yīng)性反應(yīng)則表現(xiàn)出拷貝數(shù)量的增加。除此之外，拷貝數(shù)量的增加在一定程度上對(duì)原有的突變進(jìn)行累積，為細(xì)胞進(jìn)行癌變或者維持癌變狀態(tài)蓄積了某種內(nèi)在動(dòng)力[39]。因此，充分認(rèn)識(shí)腫瘤細(xì)胞中mtDNA的變化情況，通過選擇性地誘導(dǎo) mtDNA損傷，降低mtDNA的拷貝數(shù)量將有助于腫瘤的靶向治療。

3.2.3 mtDNA與nDNA相互作用

mtDNA除了自身的變化可使其成為一種潛在的致癌靶標(biāo)或內(nèi)在標(biāo)識(shí)之外，還能通過與核基因的相互作用激發(fā)細(xì)胞的癌變潛能。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)外的有害因素積累到一定量時(shí)，大量損傷的mtDNA片段會(huì)從破裂的線粒體中釋放出來，并隨機(jī)地與核基因進(jìn)行整合，這種整合可能會(huì)激活原有的癌基因或者抑制原有的抑癌基因，從而激活正常細(xì)胞進(jìn)入癌變程序[40]。在細(xì)胞水平的研究中，Chen等發(fā)現(xiàn)在myc基因附近整合了一段源于mtDNA上幾段不相連的基因連接而成的片段[41]；在動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)鼠腫瘤組織中出現(xiàn)大量的類mtDNA片段整合到核基因中的現(xiàn)象[42]。這表明在進(jìn)化過程中mtDNA與nDNA的相互作用為生物多樣性的演變提供了內(nèi)在的一個(gè)動(dòng)力來源，而腫瘤的發(fā)生只是生物進(jìn)化過程中多樣性的一部分，這也是原始細(xì)胞引進(jìn)線粒體提高代謝能力加速進(jìn)化歷程所需承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)之一。

4 ROS穩(wěn)態(tài)變化

4.1 ROS來源

ROS是一類氧氣代謝產(chǎn)物及其衍生的含氧物質(zhì)的統(tǒng)稱，具有比氧氣更為活躍的化學(xué)性質(zhì)，包括所有的含氧自由基和過氧化物。在真核細(xì)胞中大部分的 ROS是線粒體的副產(chǎn)品。在正常機(jī)體的有氧呼吸過程中，大部分電子沿呼吸鏈傳遞至末端與分子氧結(jié)合，在復(fù)合物Ⅵ的催化下氧氣失去4個(gè)電子轉(zhuǎn)變?yōu)?分子水。但是，電子傳遞鏈的其他氧化還原中心如復(fù)合物Ⅰ和Ⅲ能夠漏出少部分的電子提供給分子氧，使其發(fā)生還原，生成具有較強(qiáng)氧化還原反應(yīng)能力的超氧陰離子，成為細(xì)胞中超氧化物產(chǎn)生的最初來源。

4.2 ROS與腫瘤發(fā)生

適量的 ROS能夠通過蛋白磷酸化/去磷酸化、相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子及環(huán)鳥苷酸等相關(guān)途徑參與細(xì)胞增殖、分化、凋亡相關(guān)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，并且在一系列水溶性和脂溶性的自由基清除劑及抗氧化劑的作用下得到及時(shí)清除，從而維持細(xì)胞的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng) ROS沒有得到及時(shí)清除時(shí)，它將會(huì)通過氧化細(xì)胞的蛋白、脂質(zhì)、核苷酸而最終導(dǎo)致細(xì)胞功能紊亂或者死亡。一系列病理學(xué)的研究表明：包括腫瘤在內(nèi)的惡性疾病常表現(xiàn)出 ROS產(chǎn)生與抗氧化劑防御之間的平衡被打破。

在腫瘤發(fā)生過程中，線粒體不僅是 ROS的主要來源，也是 ROS的損傷目標(biāo)之一。線粒體產(chǎn)生的 ROS能夠氧化蛋白并引起脂質(zhì)過氧化，從而降低生物膜的防護(hù)功能。ROS均能夠促進(jìn)依賴于Bax或者Bak以及MPT的細(xì)胞色素C的釋放，細(xì)胞色素 C通過與心磷脂 (Cardiolipin)的靜電作用和疏水作用結(jié)合在IMM的外部，而心磷脂的氧化會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞色素C的分離[43]。這也許會(huì)為多種線粒體的抗氧化劑酶類的抗凋亡作用提供了一個(gè)可信的解釋。

同時(shí)，mtDNA作為ROS損傷的另一個(gè)目標(biāo)，由于缺少組蛋白保護(hù)、有限的修復(fù)能力以及極為接近主要自由基產(chǎn)生的位置，特別容易受到ROS的攻擊。mtDNA編碼的蛋白對(duì)線粒體呼吸鏈功能的完整性以及通過氧化磷酸化的方式產(chǎn)生ATP是必要的。因此，ROS對(duì)mtDNA的損傷最終將通過電子傳遞鏈的紊亂以及 ATP產(chǎn)生的缺失達(dá)到影響細(xì)胞的目的。同時(shí)，腫瘤細(xì)胞生長的低氧環(huán)境將會(huì)促進(jìn) ROS的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致mtDNA損傷增加、呼吸鏈功能紊亂及ATP產(chǎn)生缺失，這又將進(jìn)一步促進(jìn) ROS的產(chǎn)生，最終使腫瘤細(xì)胞主要依賴糖酵解途徑產(chǎn)生ATP[44]。

在進(jìn)化過程中，原始細(xì)胞通過引入線粒體捕獲氧氣實(shí)現(xiàn)了從最初的無氧呼吸到有氧呼吸的跨越式轉(zhuǎn)變，有氧呼吸在提高代謝能力加速原始生物進(jìn)化的同時(shí)，也承擔(dān)著這一代謝方式的副產(chǎn)物 ROS所帶來的損傷風(fēng)險(xiǎn)。因此打破腫瘤細(xì)胞中固有的 ROS穩(wěn)態(tài)將有助于擾亂其正常的生理功能，從而進(jìn)一步達(dá)到殺傷腫瘤細(xì)胞的目的，而這將基于對(duì)ROS來源及其平衡調(diào)節(jié)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。

5 總結(jié)與展望

前面的討論闡述了線粒體功能異常在腫瘤細(xì)胞發(fā)生形成過程中所扮演的特殊角色。在腫瘤的代謝重編中，糖酵解通路與氧化磷酸化之間的互反作用決定了腫瘤細(xì)胞的代謝取向。而其中涉及到的包括HIF、p53等在內(nèi)的各種調(diào)控因子似乎都傾向于通過負(fù)調(diào)線粒體結(jié)構(gòu)及功能來取得有氧糖酵解的優(yōu)勢(shì)，其作用結(jié)果將進(jìn)一步抑制線粒體的正常功能。通過選擇性的激活或者修復(fù)氧化磷酸化，打破以上這種有氧糖酵解占優(yōu)勢(shì)的現(xiàn)象，對(duì)于腫瘤的治療仍然是一個(gè)原始的策略。同樣的，線粒體的促凋亡作用與抗凋亡作用間的平衡在調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞的生長方面也起著重要的作用。各種調(diào)節(jié)凋亡發(fā)生的因子在維持腫瘤的抗凋亡特征時(shí)都不約而同地選擇了線粒體作為靶標(biāo)。除此之外，mtDNA以及ROS在腫瘤的發(fā)生及特性維持過程中，線粒體不僅為其提供了原料及動(dòng)力來源，還充當(dāng)著靶標(biāo)的角色。腫瘤的發(fā)生、發(fā)展作為一個(gè)多種信號(hào)網(wǎng)絡(luò)交錯(cuò)調(diào)控的復(fù)雜過程，線粒體可能是這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中銜接上下游信號(hào)的中心，同時(shí)起著平衡腫瘤細(xì)胞內(nèi)包括促凋亡與抗凋亡、糖酵解與氧化磷酸化、氧化損傷與修復(fù)等在內(nèi)的各種代謝過程。因此對(duì)于癌細(xì)胞的殺傷及逆轉(zhuǎn)必須基于這種平衡的打破，而其關(guān)鍵就是對(duì)線粒體的協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)。充分認(rèn)識(shí)線粒體在腫瘤發(fā)生中所扮演的角色將會(huì)促進(jìn)特異殺死癌細(xì)胞以及抑制腫瘤生長的新治療方案的發(fā)展。

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