線粒體動(dòng)力學(xué)障礙在癌癥中的研究進(jìn)展

張曉云， 張亞京， 鐘 艷， 胡志達(dá)， 竇永青， 常 奕

(河北中醫(yī)學(xué)院， 河北 石家莊 050220)

線粒體被普遍認(rèn)為是細(xì)胞能量生產(chǎn)的“工廠”，在真核細(xì)胞中起著十分重要的作用。有氧條件下，三磷酸腺苷(adenosinetriphosphate，ATP)作為細(xì)胞能量的直接來源，大約90%是在線粒體中通過氧化磷酸化(oxidative phosphorylation，OXPHOS)途徑產(chǎn)生，以滿足細(xì)胞對(duì)生物能量需求[1]。此外，大量研究表明線粒體已經(jīng)成為真核細(xì)胞的中心信號(hào)樞紐[2]，其功能與所有其他細(xì)胞器密切相關(guān)，影響細(xì)胞基因表達(dá)、調(diào)節(jié)細(xì)胞周期、維持Ca2+穩(wěn)態(tài)、參與細(xì)胞凋亡、調(diào)控細(xì)胞對(duì)環(huán)境不斷變化的適應(yīng)性等，發(fā)揮重要生物學(xué)作用[3,4]。

線粒體是高度動(dòng)態(tài)的細(xì)胞器，在經(jīng)歷突然內(nèi)源性和外源性刺激或損傷時(shí)，通過改變其自身結(jié)構(gòu)滿足細(xì)胞的能量和生理需求，形成一個(gè)活躍的網(wǎng)絡(luò)，提示其結(jié)構(gòu)的變化與功能的實(shí)現(xiàn)密不可分。在細(xì)胞內(nèi)，線粒體不斷進(jìn)行分裂與融合，從而維持線粒體形態(tài)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡過程，被稱為線粒體動(dòng)力學(xué)。近年來越來越多研究表明，線粒體動(dòng)力學(xué)紊亂與癌癥特征密切相關(guān)，例如癌癥的耐藥、腫瘤干細(xì)胞的維持、癌癥疾病進(jìn)展等，也成為了癌癥研究的熱點(diǎn)[5,6]。因此，本文通過對(duì)線粒體動(dòng)力學(xué)的概述和線粒體動(dòng)力學(xué)紊亂在癌癥發(fā)生發(fā)展中的作用進(jìn)行總結(jié)，旨在為癌癥研究提供新的理論參考。

1 線粒體動(dòng)力學(xué)概述

線粒體是由外膜(outer mitochondrial membrane，OMM)、膜間隙、內(nèi)膜(inner mitochondrial membrane，IMM)和基質(zhì)組成的雙膜細(xì)胞器[7]。線粒體兩層膜的結(jié)構(gòu)和功能各不相同。OMM是線粒體信號(hào)的主要平臺(tái)。IMM有許多褶皺，稱為嵴，是電子傳遞鏈組裝和OXPHOS的位點(diǎn)，主要涉及線粒體能量轉(zhuǎn)換[8]。此外，由于線粒體中含有氧利用的終端電子受體復(fù)合物IV，生成能量的同時(shí)，使得線粒體也成為細(xì)胞內(nèi)活性氧(reactive oxygen species，ROS)的主要來源[9]。ROS具有氧化脂質(zhì)、核酸和蛋白質(zhì)的潛在危害，使線粒體成為代謝性和退行性疾病以及衰老的病因之一。線粒體動(dòng)力學(xué)的兩個(gè)關(guān)鍵方面，取決于線粒體融合和分裂的交替循環(huán)。面對(duì)內(nèi)源性和外源性刺激，線粒體能夠不斷調(diào)整其結(jié)構(gòu)、分布及整體適應(yīng)性，達(dá)到融合和裂變機(jī)制之間的動(dòng)態(tài)平衡。例如，在營(yíng)養(yǎng)缺乏過程中，線粒體融合在一起，形成相互連接的絲狀網(wǎng)絡(luò)，以共享前體營(yíng)養(yǎng)、mtDNA、ETC成分，并維持OXPHOS。相反，線粒體分裂產(chǎn)生更小、碎片化的線粒體，這有利于線粒體向高能量需要區(qū)域移動(dòng)，或有絲分裂后線粒體向子細(xì)胞均勻分布[10]。因此，線粒體動(dòng)力學(xué)調(diào)控的線粒體融合、分裂及二者的動(dòng)態(tài)平衡，決定線粒體形狀、豐度和質(zhì)量。

1.1線粒體融合:在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，線粒體的融合是由兩種屬于大型GTPases的動(dòng)力蛋白相關(guān)家族成員調(diào)節(jié)，分別是位于OMM的MFN1、MFN2和位于IMM的OPA1。MFN1和MFN2雖然具有非常高的同源性和相似的結(jié)構(gòu)組織，但兩種絲裂蛋白具有不同的功能。MFN1和OPA1是融合反應(yīng)的核心成分，而MFN2在融合中的確切作用尚不清楚。有研究表明MFN2參與線粒體-線粒體、線粒體與其他細(xì)胞器(特別是內(nèi)質(zhì)網(wǎng))的相互作用[11]。由預(yù)測(cè)的GTPase結(jié)構(gòu)域和羧基末端的末端組成最小MFN1晶體結(jié)構(gòu)表明MFN1以GTP依賴的方式二聚形成人工膜聚簇，進(jìn)而拉進(jìn)兩個(gè)毗鄰的線粒體外膜，形成三種不同的同型或異性寡聚物，促進(jìn)OMM融合[12]。對(duì)于全長(zhǎng)MFN1是否也是如此還有待確定。線粒體動(dòng)力學(xué)早期表明OPA1直接參與IMM融合、線粒體DNA維持和嵴形成[13]。有證據(jù)表明，在真核生物中至少存在八種OPA1亞型，每一種亞型都有特定的功能?？偟膩碚f，OPA1主要有兩種存在形式長(zhǎng)OPA1(long OPA1protein structure，L-OPA1)和短OPA1(short OPA1protein structure，S-OPA1)。L-OPA1亞型決定了線粒體融合，而S-OPA1亞型參與了線粒體分裂[14,15]。體外研究表明，L-OPA1在膜間建立了兩種類型的相互作用:兩個(gè)不能融合的L-OPA1分子間的同型反式相互作用;L-OPA1和心磷脂之間的異型反式相互作用具有融合能力。與S-OPA1在嵴生物發(fā)生中的作用類似，將S-OPA1添加到反式L-OPA1心磷脂復(fù)合物中增強(qiáng)了膜融合[15]。有研究合理推測(cè)由GTP水解刺激的MFN1激活，MFN1寡聚介導(dǎo)OMM融合孔的協(xié)調(diào)形成，促使OPA1右轉(zhuǎn)螺旋組裝介導(dǎo)的IMM融合，線粒體的融合依賴于L-OPA1和S-OPA1之間的適當(dāng)平衡[16]?？傮w而言，OPA1的加工對(duì)線粒體動(dòng)力學(xué)有廣泛的影響，具體不同形式的OPA1功能有待進(jìn)一步探究。

1.2線粒體分裂:線粒體的分裂主要由動(dòng)力相關(guān)蛋白1(dynamin-related protein 1，DRP1)介導(dǎo)，從胞質(zhì)轉(zhuǎn)位到線粒體，與OMM受體結(jié)合，結(jié)合之后DRP1寡聚并驅(qū)動(dòng)剪切。DRP1受體主要包括線粒體裂變因子(mitochondrial fission factor，MFF)、線粒體動(dòng)力學(xué)蛋白49kDa(mitochondrial dynamics protein of 49kDa，MID49)、線粒體動(dòng)力學(xué)蛋白51kDa(mitochondrial dynamics protein of 51kDa，MID51)、線粒體裂變1蛋白(mitochondrial fission 1 protein，F(xiàn)IS1)，其中在哺乳動(dòng)物中MFF作用最為突出[17]。通過MID49/MID51-DRP1-GTP復(fù)合物的低溫電鏡分析，對(duì)DRP1介導(dǎo)的剪切機(jī)制有了深入的了解。GTP與DRP1結(jié)合誘導(dǎo)線粒體膜上線性聚合物的形成，并通過與受體的相互作用穩(wěn)定下來。隨后的GTP水解與聚合物縮短有關(guān)，聚合物卷曲成內(nèi)徑為16nm的閉合環(huán)，在線粒體完全收縮的范圍內(nèi)。也有證據(jù)表明，即使在沒有DRP1受體的情況下，DRP1也可以形成寡聚，但結(jié)構(gòu)研究表明在此情況下，非核苷酸依賴的膜收縮，最終直徑為30-70nm，并不足以驅(qū)動(dòng)整個(gè)線粒體收縮，表明該線粒體完成分裂的過程需要其他DRPs[18]。此外，DRP1是一種必須轉(zhuǎn)移到線粒體以誘導(dǎo)裂變的胞質(zhì)蛋白。這種易位依賴于DRP1的Ser637的磷酸化-去磷酸化。這種由PKA介導(dǎo)的修飾降低了DRP1的GTPase活性，促進(jìn)線粒體融合導(dǎo)致線粒體伸長(zhǎng)。同樣的位點(diǎn)可以被Ca2+依賴的鈣調(diào)磷酸酶去磷酸化，促使線粒體的分裂。也有研究表明線粒體裂變位點(diǎn)與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)小管緊密相關(guān)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)小管與肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架共同支持線粒體膜收縮，影響線粒體的分裂[19]，表明線粒體分裂的過程比DRP1介導(dǎo)的膜斷裂要復(fù)雜得多。

2 線粒體動(dòng)力學(xué)障礙與癌癥

線粒體動(dòng)力學(xué)障礙主要表現(xiàn)線粒體融合與分裂失衡，其特征是線粒體膜電位降低和ROS產(chǎn)生增加，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)能量生成減少，最終引起線粒體功能和細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的破壞。近年來，有研究發(fā)現(xiàn)癌細(xì)胞的發(fā)生發(fā)展與線粒體動(dòng)力學(xué)功能障礙、線粒體自噬細(xì)胞過程之間存在著密切的聯(lián)系[20]。癌細(xì)胞根據(jù)其能量和合成需求來調(diào)節(jié)線粒體的形態(tài)，以維持細(xì)胞增殖和遷移，并逃避細(xì)胞凋亡的發(fā)生。

2.1線粒體融合障礙與癌癥:MFNs或OPA1功能的改變導(dǎo)致線粒體融合減少，線粒體動(dòng)力學(xué)的平衡轉(zhuǎn)向過度碎片。Zhang等[21]研究表明，MFN1功能缺失觸發(fā)了肝細(xì)胞癌的上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化，有利于HCC轉(zhuǎn)移和侵襲性。體外實(shí)驗(yàn)表明，敲低MFN1會(huì)重編程葡萄糖代謝，誘導(dǎo)糖酵解途徑。Han等[22]證實(shí)在缺氧情況下，卵巢癌細(xì)胞株SKOV3和PA1中MFN1 mRNA表達(dá)水平下調(diào)，導(dǎo)致ROS的產(chǎn)生增多，導(dǎo)致線粒體分裂融合比增加，卵巢癌細(xì)胞株的順鉑耐藥性增強(qiáng)。隨后，Mdivi-1處理抑制線粒體分裂，抑制了兩種細(xì)胞系對(duì)順鉑的耐藥性。盡管與MFN1相比，MFN2的促融合能力較低，但MFN2與Sirtuin1(SIRT1)被證明參與了胃癌中YAP蛋白的活性的調(diào)節(jié)[23]。在胃癌細(xì)胞株GES-1和AGS的體外實(shí)驗(yàn)表明，MFN2/SIRT1軸不僅有助于促進(jìn)細(xì)胞自噬和抑制caspase-9介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡，還能夠促進(jìn)片狀足的形成，促進(jìn)細(xì)胞遷移。同時(shí)，MFN2還能顯著抑制胰腺癌細(xì)胞中p-PI3K、p-Akt、p-mTOR蛋白的表達(dá)。此外，MFN2還能抑制胰腺癌細(xì)胞增殖和ROS的產(chǎn)生。Kaplan-Meier曲線評(píng)估顯示，MFN2-胰腺癌的預(yù)后較MFN2+胰腺癌差。

鑒于OPA1在線粒體形態(tài)和功能調(diào)控中的重要作用，有研究聚焦于其在癌癥中的活性。近期研究表明，在卵巢癌中OPA1水平升高，同時(shí)伴隨線粒體有氧代謝、線粒體數(shù)量增加，線粒體生產(chǎn)的兩個(gè)主要調(diào)控因子過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1-α(PGC1α)和線粒體轉(zhuǎn)錄因子A(TFAM)表達(dá)增加。Herkenne等[24]首次證明，腫瘤發(fā)育和血管生成也需要OPA1。在血管內(nèi)皮細(xì)胞中，血管生成刺激引起OPA1表達(dá)反應(yīng)，隨后抑制活化B細(xì)胞核因子κ-輕鏈增強(qiáng)子，最終有利于促血管生成基因的表達(dá)和血管生成，促進(jìn)腫瘤形成和增強(qiáng)腫瘤的侵襲性。此外，OPA1部分介導(dǎo)了withafin A(WA)在乳腺癌細(xì)胞中的抗腫瘤活性。WA處理人乳腺癌細(xì)胞系MCF-7和SUM159后，細(xì)胞色素還原酶(電子傳遞鏈復(fù)合體Ⅲ)組裝和表達(dá)減少，OPA1表達(dá)量減少，線粒體體積減少，融合減少。

2.2線粒體分裂障礙與癌癥:Liang等[25]研究表明DRP1在胰腺癌細(xì)胞系和組織樣本中表達(dá)顯著上調(diào)，體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)證實(shí)DRP1促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)和侵襲性，促進(jìn)G1-S期轉(zhuǎn)化和MMP2的表達(dá)。此外，DRP1同時(shí)增加了線粒體分裂的糖酵解活性。Nagdas等[26]證明了胰腺癌細(xì)胞中DRP1缺失，腫瘤細(xì)胞糖酵解正常，線粒體形態(tài)受損，最終導(dǎo)致TCA循環(huán)受損和脂肪酸β氧化受損，在KRas驅(qū)動(dòng)腫瘤模型中具有顯著的生存優(yōu)勢(shì)。在KRas突變型非小細(xì)胞肺癌的研究中發(fā)現(xiàn)，DRP1促進(jìn)KRas突變的非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞的乳酸利用，抑制ROS產(chǎn)生。Chauhan SS等[27]發(fā)現(xiàn)抑制絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶(PIM)，可顯著增加DRP1蛋白表達(dá)水平和線粒體定位，導(dǎo)致線粒體明顯碎裂，增加線粒體ROS的產(chǎn)生和對(duì)藥物治療的耐藥性。抑制PIM可使非小細(xì)胞肺癌對(duì)化療致敏，并在體內(nèi)外產(chǎn)生協(xié)同抗腫瘤反應(yīng)。Guo等[28]發(fā)現(xiàn)PINCH-1在肺腺癌中高表達(dá)，并通過調(diào)節(jié)線粒體動(dòng)力學(xué)促進(jìn)脯氨酸合成。PINCH-1敲除增加DRP1的表達(dá)和線粒體碎裂，抑制kindlin-2線粒體易位以及與PYCR1的相互作用，從而抑制脯氨酸合成和細(xì)胞增殖。

3 線粒體功能異常與癌癥

線粒體代謝和氧化應(yīng)激通常調(diào)節(jié)線粒體動(dòng)態(tài)。線粒體分裂和融合的比例，以及它們的形態(tài)和分布，可以調(diào)節(jié)各種生物過程，包括能量生產(chǎn)。當(dāng)細(xì)胞受到不良刺激時(shí)，線粒體通過融合形成大的線粒體，增強(qiáng)細(xì)胞對(duì)不良刺激的應(yīng)對(duì)能力。同時(shí)，有研究表明腫瘤微環(huán)境中，各種細(xì)胞應(yīng)激會(huì)促進(jìn)線粒體異常分裂，增加ROS的水平，增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞的侵襲性，誘導(dǎo)其遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移[29]。線粒體分裂增加和融合減少導(dǎo)致線粒體功能異常通常與癌癥發(fā)生密切相關(guān)。

3.1線粒體能量代謝異常:線粒體是代謝、生物合成和氧化還原狀態(tài)平衡的生物能量樞紐。癌細(xì)胞的異型性是疾病進(jìn)展和治療失敗的主要原因，這是由于腫瘤干細(xì)胞等功能不同的亞群的存在。OXPHOS是腫瘤干細(xì)胞的主要能源。癌細(xì)胞通常被稱為基質(zhì)的非癌性宿主組織所包圍，基質(zhì)在腫瘤生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移中起著重要作用。依賴OXPHOS的腫瘤干細(xì)胞可以利用基質(zhì)細(xì)胞釋放的各種代謝物來適應(yīng)腫瘤微環(huán)境的變化，并為TCA循環(huán)提供原料。Peiris-Pages等[30]研究發(fā)現(xiàn)mDIVI1是線粒體裂變蛋白DRP1的抑制劑，可誘導(dǎo)線粒體氧化應(yīng)激和有效降低線粒體代謝，抑制乳腺癌細(xì)胞中3D腫瘤球形成能力、細(xì)胞遷移和干細(xì)胞相關(guān)信號(hào)，這表明mDIVI1可能被用于治療性消除癌癥干細(xì)胞。miR-125a具有抑制線粒體裂變的能力，有助于細(xì)胞存活。低含量的miR-125a可上調(diào)Mfn2的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)，導(dǎo)致線粒體分裂失活。通過抑制線粒體分裂導(dǎo)致線粒體碎片減少，保留線粒體膜電位，抑制線粒體通透性過渡孔開放，減少細(xì)胞色素c向細(xì)胞質(zhì)滲漏，降低促凋亡蛋白含量，最終阻斷線粒體相關(guān)凋亡途徑。此外，miR-125a誘導(dǎo)的缺陷線粒體分裂通過促進(jìn)電子傳遞鏈復(fù)合物的活性增強(qiáng)了線粒體依賴的能量代謝。通過保持F-actin平衡，抑制線粒體裂變也有助于PANC-1細(xì)胞的遷移。上述研究表明，線粒體裂變是一個(gè)miR-125a調(diào)控的腫瘤抑制過程，其作用是限制PANC-1細(xì)胞的生存、能量代謝和遷移，這對(duì)胰腺癌治療的新方法具有潛在的意義[31]。

3.2ROS異常:有報(bào)道稱ROS可驅(qū)動(dòng)腫瘤的啟動(dòng)、轉(zhuǎn)化、增殖和擴(kuò)散[32]。在生理上，ROS水平升高可促進(jìn)突變、原癌基因激活、腫瘤抑制因子失活、代謝刺激、自噬和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑、細(xì)胞增殖、存活，以及細(xì)胞對(duì)實(shí)體腫瘤核心不利微環(huán)境的適應(yīng)。胞漿細(xì)胞周期蛋白C與DRP1的酵母同源基因Drp1和Dnm1相互作用，分別促進(jìn)線粒體分裂和應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡。體外研究結(jié)果表明，cyclin C通過其第二個(gè)cyclin box結(jié)構(gòu)域與DRP1的GTPase結(jié)構(gòu)域結(jié)合[33]。然而，cyclin C作為實(shí)體腫瘤抑制因子具有促凋亡功能，缺乏cyclin C的MEF細(xì)胞對(duì)順鉑誘導(dǎo)的凋亡具有抗性。通過闡明細(xì)胞周期蛋白C介導(dǎo)的應(yīng)激反應(yīng)途徑的機(jī)制，進(jìn)一步揭示了S-HAD或H2O2處理不僅導(dǎo)致線粒體碎裂，還增強(qiáng)了線粒體Bax的募集和激活，且這一過程均以細(xì)胞周期蛋白C和線粒體ROS依賴的方式發(fā)生[34]。然而，盡管S-HAD誘導(dǎo)的線粒體碎裂與線粒體超氧化物的產(chǎn)生呈正相關(guān)，但S-HAD處理對(duì)細(xì)胞活力沒有顯著影響。因此，該過程涉及轉(zhuǎn)化腫瘤本身、順鉑、S-HAD誘導(dǎo)的線粒體裂變?nèi)N氧化應(yīng)激的協(xié)同作用，超過了凋亡癌細(xì)胞的殺傷閾值。因此，作者可以推測(cè)，并不是片段表型本身導(dǎo)致了凋亡過程的激活，而是觸發(fā)最大限度的ROS產(chǎn)生所必需的線粒體形態(tài)的突然變化所引起。

由于細(xì)胞內(nèi)ROS在腫瘤發(fā)生中的驅(qū)動(dòng)作用，它不僅可以被視為致癌轉(zhuǎn)化的標(biāo)記物，而且可以作為靶向抗癌治療的特異性靶標(biāo)。鑒于在腫瘤中發(fā)現(xiàn)的不同ROS生成率，確定促氧化癌癥治療窗口，旨在將ROS水平提高到假定閾值以上，可能是殺滅癌細(xì)胞而非正常細(xì)胞的可行治療方式。此外，內(nèi)源性ROS解毒系統(tǒng)，經(jīng)常在腫瘤中上調(diào)以逃避細(xì)胞保護(hù)機(jī)制，也被廣泛認(rèn)為是抗癌治療的潛在靶點(diǎn)?？傊琑OS是一種有效的腫瘤治療潛在靶點(diǎn)。

4 小 結(jié)

由于線粒體形態(tài)學(xué)的變化與重要的細(xì)胞功能密切相關(guān)，包括那些在癌癥中改變的功能，因此線粒體動(dòng)力學(xué)的變化對(duì)腫瘤進(jìn)展或?qū)χ委煹哪退幮允种匾Ｓ醒芯孔C實(shí)與正常細(xì)胞相比，癌癥組織中線粒體質(zhì)量和超微結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，包括超微結(jié)構(gòu)不均一、晶體紊亂、線粒體膜改變、基質(zhì)空泡、線粒體腫脹和扭曲[35]，但這些觀察結(jié)果的功能含義以及對(duì)癌癥治療的重要性尚不清楚。此外，盡管對(duì)調(diào)節(jié)線粒體融合和裂變的分子機(jī)制以及它們?cè)谀承┌┌Y類型或癌癥相關(guān)情況中的作用有了更多的了解，但對(duì)操縱線粒體動(dòng)力學(xué)機(jī)制的精確了解尚未用于癌癥治療。有效靶向線粒體融合或裂變進(jìn)行治療或使用線粒體形態(tài)作為癌癥生物標(biāo)志物的主要缺陷在于線粒體在不同類型的癌癥或環(huán)境中呈現(xiàn)出環(huán)境依賴的特征。線粒體動(dòng)力學(xué)改變被證明與癌基因介導(dǎo)的轉(zhuǎn)化和增殖有關(guān)，因此確定線粒體形態(tài)的變化是否針對(duì)一系列癌癥突變或癌細(xì)胞，這些變化是否有助于腫瘤進(jìn)展，以及線粒體動(dòng)力學(xué)是否可以有效地靶向治療，有待進(jìn)一步深入探究。