姜 军,格日力
(1青海大学高原医学研究中心,西宁810001;2青海大学附属医院)
目前恶性肿瘤已成为导致人类死亡的主要病因之一。WHO公布数据显示,2008年全球新增肿瘤患者1 270万,因肿瘤致死人数约760万,占总死亡人数的13%[1]。肿瘤的形成与发展涉及诸多机制,近年的研究发现线粒体基因(mtDNA)的结构及功能缺陷与肿瘤有明显相关性,被认为是肿瘤形成和发展的重要原因之一。现将相关研究进展情况综述如下。
线粒体含有独立于核基因外的遗传物质,在新陈代谢和生物能量转换中处于中心地位。与核基因相比,mtDNA具有半自主性,即能够独立复制、转录和翻译。人类mtDNA是16 569 bp的双链共价闭合环状分子,两条互补链的碱基组分不同,外链富含嘌呤(A和G),称为重链,内链富含嘧啶(C和T),称为轻链。mtDNA包括13个编码线粒体呼吸链酶复合物结构亚基的基因、2个rRNA基因、22个线粒体tRNA基因和D-环。D-环是负责调控mtDNA复制、转录的非编码区,含有mtDNA重链复制的起点和轻、重链的转录启动子以及4个高度保守序列。mtDNA主要在细胞周期的S期及G2期复制合成,线粒体DNA聚合酶、DNA解旋酶和线粒体单链DNA绑定蛋白是参与mtDNA复制的重要蛋白[2]。mtDNA复制时还需线粒体RNA聚合酶(POLRMT)先在线粒体基因复制起始区形成茎环样结构的复制启动引物[3]。参与mtDNA转录的蛋白主要有线粒体RNA聚合酶、线粒体转录因子A(mtTFA)和线粒体转录因子B2(TFB2M)[2]。mtTFA是线粒体转录的关键激活子,可以改变线粒体D-环区内的轻链启动子结构,使POLRMT能够识别并与启动子上的序列元件结合,促进mtDNA转录[3]。细菌和真核生物中线粒体转录因子B1(TFB1M)和TFB2M有高度的保守性。TFB2M是mtDNA转录时POLRMT的作用位点[4]。TFB1M是重要的rRNA甲基转移酶,对维持线粒体核糖体蛋白的稳定有重要作用[5]。线粒体产生能量的同时也产生自由基,因mtDNA无组蛋白的保护,而且修复能力有限,mtDNA易受损伤发生突变,并可在体细胞中累积。这可能也是肿瘤形成和进展的病理生理基础之一。
结直肠癌组织中可检测到mtDNA的大片段缺失[6],肾细胞癌组织中存在mtDNA的小片段缺失突变[7],13%的恶性胶质瘤和63%的直肠腺癌组织存在mtDNA突变[8]。提示多种mtDNA致病性突变可能在肿瘤早期形成中发挥作用。Ishikawa等[9]研究证实mtDNA突变促进肿瘤细胞的转移。呼吸链是细胞活性氧产生的主要场所,编码线粒体呼吸链的mtDNA突变可导致活性氧产生增加,线粒体功能障碍,是肿瘤形成和转移的重要病理基础[10]。推测不同的mtDNA突变对不同肿瘤的形成可能具有一定的特异效应。
在不同肿瘤细胞中已发现编码呼吸链复合物Ⅰ亚基的ND5、ND4L、ND1基因及编码复合物Ⅲ亚基的CYTb基因和编码复合物Ⅳ亚基的COXⅠ、COXⅡ、COXⅢ基因突变,并且细胞氧化磷酸化功能存在不同程度的障碍。Pelicano等[11]认为,肿瘤细胞呼吸功能缺陷时,NADH增高抑制了磷酸酶基因(PTEN)活性,激活蛋白激酶B,细胞糖酵解增加,利于肿瘤生成。mtDNA突变和线粒体呼吸功能障碍有助于肿瘤细胞的生成,这在携带ND5基因突变的线粒体杂交细胞系中也得到证实[12]。携带ND5基因杂合突变细胞线粒体O-2增加,但由于抗氧化酶超氧化物歧化酶(SOD)1的高表达,细胞内H2O2水平正常,但含有ND5基因纯合突变的细胞系SOD2和H2O2同时增高,产生ATP的能力下降,细胞呈现凋亡趋势[13]。提示肿瘤细胞表型受mtDNA突变异质性的影响。携带ND5基因杂合突变的细胞明显促进肿瘤细胞的形成,而纯合突变降低肿瘤的形成。因此认为肿瘤细胞在形成的前期阶段mtDNA是一种功能性的改变,因组织的损害和线粒体修复能力有限,mtDNA突变发生概率大大增加,随着突变mtDNA积累到一定阈值,加之肿瘤细胞产生的活性氧增多或基因的不稳定性增加,促进肿瘤细胞的生长,阻止细胞衰老和凋亡。
因组织器官的不同每个哺乳动物细胞含有数百至上千个拷贝的mtDNA。mtDNA拷贝数受细胞生理状态的调节,细胞内外环境发生改变时,如缺氧、固醇类激素刺激等,mtDNA拷贝数也随之改变。结直肠癌[6]、急性淋巴细胞白血病[12]组织中 mtDNA拷贝数升高,而在乳腺癌[14]、纤维板层癌[15]等组织中mtDNA拷贝数降低。乳腺癌患者mtDNA拷贝数与其发病年龄、肿瘤高分化和阴性黄体酮受体有明显相关性,mtDNA拷贝数降低者存活率低[14]。但肿瘤组织中的mtDNA拷贝数受复杂的机制调控,不是单纯以细胞畸形繁殖能解释的。
肿瘤组织中mtDNA拷贝数的变化与p53介导的信号通路相关。Vivekanandan等[15]发现 p53降低至正常50%以下时,可提高mtDNA对氧化应激的敏感性,活性氧增加。乳腺癌组织中有POLG基因突变时mtDNA拷贝数也降低,说明乳腺癌组织中mtDNA拷贝数减少部分是由于POLG基因缺陷导致的[16]。其他与线粒体生物合成相关的因子,如线粒体单链DNA绑定蛋白(mtSSB)、过氧化物酶活性增殖受体γ共激活因子1α(PGC-1α),均是核基因编码,这些因子的mRNA表达变化与mtDNA数目的减少及细胞的状态有相关性[17]。因此可认为mtDNA拷贝数的降低是mtDNA和核基因共同作用的结果。
研究[7,11]发现,肿瘤细胞携带突变的 mtDNA,mtDNA的突变可能出现在肿瘤的早期阶段或癌前病变期。Jones等[18]发现,在肿瘤细胞占30%甚至更少的组织中可以检测出mtDNA突变,但不能检测出已知的核基因突变,因此认为mtDNA可作为肿瘤细胞检测的指标。在mtDNA拷贝数增高的喉癌HEp2细胞可抵抗多烯紫杉醇诱导的细胞死亡,主要是通过加强ATP酶活性和降低活性氧的生成起作用[19]。mtDNA拷贝数高的乳腺癌MDA-MB-231细胞对阿霉素治疗的敏感性降低,和mtDNA拷贝数低的细胞相比活性氧产生减少。根据这些结果,推测mtDNA数目的改变对肿瘤细胞的抗药性有一定的积极作用,可作为预测肿瘤对化疗药物反应性的一种生物标记。
有学者[20]提出将线粒体作为抗肿瘤治疗的靶标,并将通过作用线粒体的不同代谢和氧化磷酸化环节诱导肿瘤细胞凋亡而达到抗肿瘤的一类药物称为Mitocan,根据作用模式和部位的不同将Mitocan分为7类:①己糖激酶靶向药物:2-脱氧葡萄糖和3-溴代丙酮酸。2-脱氧葡萄糖抑制糖酵解,消耗ATP,并抑制干扰肿瘤细胞糖基化。②Bcl-2蛋白靶向药物:Bcl-2同源蛋白3(BH3)类似物、ABT-737和生育酚丁二酸酯(α-TOS),其干扰抗凋亡蛋白Bcl-2、Bcl-xL,或干扰 Mcl-1与凋亡前体蛋白结合。③硫醇氧化还原靶向药物:三氧化二砷和异硫氰酸盐。相对于正常细胞,肿瘤细胞处于较高水平的活性氧状态,对增强细胞氧化应激的药物更敏感。④线粒体渗透性转换孔道复合体(PTPC)靶向药物:氯尼达明和CD437。可通过下调位于线粒体内膜和外膜上的腺苷酸转运蛋白(ANT)和电压依赖离子通道(VDAC)诱导细胞凋亡。这两种蛋白是渗透性转换孔道复合体的主要组成成分。⑤电子传递链靶向药物:电子传递链复合物Ⅰ的阻滞剂有鱼藤酮、粉蝶毒素;抑制复合物Ⅱ的α-TOS和维生素E琥珀酸酯;抑制复合物Ⅲ的抗霉素A和白藜芦醇;抑制复合物Ⅳ的一氧化氮;抑制复合物Ⅴ的寡霉素和白皮杉醇等。电子传递链阻滞剂可提高细胞的氧化应激状态,增加电子漏的形成,产生氧自由基,增加细胞毒性,促进肿瘤细胞凋亡。呼吸链复合物Ⅱ抑制剂α-TOS升高细胞内活性氧,通过Mst1/Hippo-FoxO1-NOXA信号转导途径诱导细胞凋亡。⑥三羧酸循环的靶向药物:丙酮酸脱氢酶抑制剂二氯乙酸(DCA)。DCA使较多丙酮酸进入三羧酸循环,糖无氧酵解到有氧氧化转化增多,消耗跨膜电位,激活钾离子通道,增加活性氧的产生,诱导细胞凋亡。⑦mtDNA靶向药物:甲萘醌通过抑制mtDNA聚合酶γ活性,降低mtDNA复制,使肿瘤细胞凋亡。这种通过升高肿瘤细胞的活性氧超出耐受阈值诱导细胞凋亡的途径为开发新的抗肿瘤药物提供了生化依据。
综上所述,mtDNA结构及功能缺陷,尤其mtDNA突变,在人类肿瘤的形成和发展过程中起着重要作用。但有关线粒体功能障碍与肿瘤早期诊断、临床病理及预后的关系尚有待深入研究。期望在判断肿瘤高危人群、筛查癌前病变、跟踪肿瘤进展、指导临床治疗及判断肿瘤复发和预后等方面寻找到特征性线粒体生物标记。
[1]Jemal A,Bray F,Center MM,et al.Global cancer statistics[J].CA Cancer J Clin,2011,61(2):69-90.
[2]Falkenberg M,Larsson NG.Structure casts light on mtDNA replication[J].Cell,2009,139(2):231-233.
[3]Fuste JM,Wanrooij S,Jemt E,et al.Mitochondrial RNA polymerase is needed for activation of the origin of light-strand DNA replication[J].Mol Cell,2010,37(1):67-78.
[4]Litonin D,Sologub M,Shi Y,et al.Human mitochondrial transcription revisited:only TFAM and TFB2M are required for transcription of the mitochondrial genes in vitro[J].J Biol Chem,2010,285(24):18129-18133.
[5]Metodiev MD,Lesko N,Park CB,et al.Methylation of 12S rRNA is necessary for in vivo stability of the small subunit of the mammalian mitochondrial ribosome[J].Cell Metab,2009,9(4):386-397.
[6]Chen T,He J,Shen L,et al.The mitochondrial DNA 4,977-bp deletion and its implication in copy number alteration in colorectal cancer[J].BMC Med Genet,2011,12(1):8-9.
[7]Horton TM,Petros JA,Heddi A,et al.Novel mitochondrial DNA deletion found in a renal cell carcinoma[J].Genes Chromosomes Cancer,1996,15(2):95-101.
[8]Larman TC,Depalma SR,Hadjipanayis AG,et al.Spectrum of somatic mitochondrial mutations in five cancers[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2012,109(35):14087-14091.
[9]Ishikawa K,Imanishi H,Takenaga K,et al.Regulation of metastasis;mitochondrial DNA mutations have appeared on stage[J].J Bioenerg Biomembr,2012,44(6):639-644.
[10]Chou HC,Chan HL.Targeting proteomics to investigate metastasis-associated mitochondrial proteins[J].J Bioenerg Biomembr,2012,44(6):629-634.
[11]Pelicano H,Xu RH,Du M,et al.Mitochondrial respiration defects in cancer cells cause activation of Akt survival pathway through a redox-mediated mechanism[J].J Cell Biol,2006,175(6):913-923.
[12]Egan K,Kusao I,Troelstrup D,et al.Mitochondrial DNA in residual leukemia cells in cerebrospinal fluid in children with acute lymphoblastic leukemia[J].J Clin Med Res,2010,2(5):225-229.
[13]Park JS,Sharma LK,Li HZ,et al.A heteroplasmic,not homoplasmic,mitochondrial DNA mutation promotes tumorigenesis via alteration in reactive oxygen species generation and apoptosis[J].Hum Mol Genet,2009,18(9):1578-1589.
[14]Fan AXC,Radpour R,Haghighi MM,et al.Mitochondrial DNA content in paired normal and cancerous breast tissue samples from patients with breast cancer[J].J Cancer Res Clin Oncol,2009,135(8):983-989.
[15]Vivekanandan P,Daniel Hyeh MM,Torbenson M,et al.Mitochondrial mutations in hepatocellular carcinomas and fibrolamellar carcinomas[J].Mod Pathol,2010,23(6):790-798.
[16]Singh KK,Ayyasamy V,Owens KM,et al.Mutations in mitochondrial DNA polymerase-gamma promote breast tumorigenesis[J].J Hum Genet,2009,54(9):516-524.
[17]Jones AWE,Yao Z,Vicencio JM,et al.PGC-1 family coactivators and cell fate:roles in cancer,neurodegeneration,cardiovascular disease and retrograde mitochondria-nucleus signalling[J].Mitochondrion,2012,12(1):86-99.
[18]Jones JB,Song JJ,Hempen PM,et al.Detection of mitochondrial DNA mutations in pancreatic cancer offers a"mass"-ive advantage over detection of nuclear DNA mutations[J].Cancer Res,2001,61(4):1299-1304.
[19]Mizumachi T,Suzuki S,Naito A,et al.Increased mitochondrial DNA induces acquired docetaxel resistance in head and neck cancer cells[J].Oncogene,2008,27(6):831-838.
[20]Neuzil J,Dong LF,Rohlena J,et al.Classification of mitocans,anti-cancer drugs acting on mitochondria[J].Mitochondrion,2012,13(3):199-208.