线粒体功能障碍的原因及其对肿瘤作用的研究进展*

李 琪 陈 斌 综述 秦泽莲 审校

(北京大学第三医院成形外科，北京 100083)



·文献综述·

线粒体功能障碍的原因及其对肿瘤作用的研究进展*

李 琪 陈 斌 综述 秦泽莲**审校

(北京大学第三医院成形外科，北京 100083)

线粒体是机体能量产生的主要细胞器，在有氧呼吸、物质代谢、氧化应激、凋亡、Ca2+稳态等方面发挥重要的功能。越来越多研究表明线粒体功能障碍与肿瘤密切相关，线粒体代谢异常、活性氧增多、线粒体基因突变、Ca2+超载、凋亡异常影响多种肿瘤发生、生长、侵袭、转移。本文就线粒体功能障碍发生机制及其与肿瘤的关系进行文献总结。

线粒体； 基因； 功能障碍； 肿瘤

线粒体是细胞进行有氧呼吸的主要场所，在有氧条件下，通过一系列生化反应和电子传递，将糖和脂肪酸氧化过程中释放的自由能转变为ATP中的化学能。线粒体除为细胞提供能量外，还在氨基酸和脂质代谢、细胞氧化应激、细胞信号转导和细胞凋亡中发挥重要功能[1]。越来越多的研究表明线粒体功能异常与多种肿瘤发生发展密切相关，对其进一步探索和研究对于今后实现肿瘤疾病的精准医疗和微创治疗具有十分重要的意义。

1 线粒体的结构与功能

线粒体一般为球形或长杆形，由内外两层膜组成，可分为外膜、膜间隙、内膜和基质4个结构。线粒体数量因细胞类型的不同而异，含量与细胞功能状态有关，代谢活跃的细胞往往含有较多的线粒体。线粒体的功能主要包括调节氧化磷酸化生成ATP、物质代谢、活性氧(reactive oxygen species, ROS)生成、细胞增殖和凋亡、Ca2+稳态等。线粒体氧化磷酸化是细胞内ATP的主要产生方式[2]，主要由线粒体内膜上的氧化呼吸链和ATP合酶耦联合作完成。线粒体参与多种重要营养物质的代谢，如三羧酸循环、脂肪酸氧化、胆固醇和血红蛋白的合成等，而三羧酸循环是糖类、脂类和氨基酸这三大营养素的最终代谢通路，也是这三大营养素相互转化的联系枢纽。ROS在细胞氧化应激、细胞凋亡、基因表达等细胞生命活动中均有重要调控作用[3]。细胞中有多种酶系能将O2转变为ROS，而线粒体呼吸链酶系是细胞内ROS产生的主要来源[4]。线粒体在呼吸链损伤时，ROS生成增加，在线粒体内和细胞质内积聚造成氧化损伤，引起细胞功能异常。细胞凋亡是多细胞生物体更新正常细胞和清除异常细胞的重要手段,线粒体是多种凋亡通路的交汇点，参与细胞凋亡的发生、发展和调控过程[5]。此外，线粒体作为细胞内除了内质网外的另一大钙储存库，能敏感地感受到细胞内Ca2+浓度的增高而摄取钙，对细胞内Ca2+稳态的维持有重要作用。可见，线粒体对于机体正常功能的行使具有重要的意义。

2 线粒体功能障碍产生的原因

线粒体功能障碍目前尚没有一个明确的定义。任何上述功能的损伤都可以看作线粒体功能障碍。引起线粒体功能障碍的主要因素包括氧自由基、一氧化氮、Ca2+超载、基因表达异常等。

2.1 氧自由基

线粒体是细胞内ROS的主要来源，也是最易受ROS攻击的部位。细胞内氧供应不足时，用以接收电子的氧不足，电子在线粒体呼吸链的传递阻力增大，导致电子泄漏增多而产生大量ROS[6, 7]。线粒体受ROS损伤后，主要通过以下途径影响线粒体功能：①膜脂质过氧化影响膜的流动性，导致线粒体的功能受损和膜内酶的活性下降，ATP合成减少。②积聚的ROS攻击裸露的线粒体DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)，导致mtDNA突变，干扰线粒体的正常呼吸酶的表达，影响线粒体电子传递链，导致ROS进一步升高，形成恶性循环。③ROS是线粒体通透性转换孔(mitochondrial permeability transition pore，mPTP)开放的强诱导剂[8]。mPTP的开放会破坏线粒体的选择性通透功能，导致线粒体内膜两侧的质子势能差减小和线粒体膜电位下降，氧化磷酸化失耦联而使ATP合成受阻。另一方面，mPTP开放使膜两侧小于1.5 kDa的分子自由通透，由于线粒体基质的渗透浓度大于细胞浆，导致线粒体肿胀而使线粒体正常形态破坏。

2.2 一氧化氮

缺氧条件下，诱导性一氧化氮合酶(nitric oxide synthase，NOS)活性增强，一氧化氮(nitric oxide，NO)产生增加。NO能与超氧阴离子反应生成强氧化物过氧亚硝酸，后者不但可以介导脂质过氧化产生细胞毒性作用，还可结合于线粒体内膜上，抑制复合体Ⅲ和复合体Ⅳ的活性，干扰氧化呼吸链的电子传递，是造成线粒体损伤的一个重要原因[9]。Zelickson等[10]认为慢性酒精性肝病患者肝中存在着缺氧的微环境，能通过增加NO对线粒体功能的损伤而促进疾病的进展。Sim等[11]报道紫杉醇能通过抑制神经型一氧化氮合酶的活性减轻神经根损伤引起的神经细胞线粒体功能障碍，提示NO参与了神经细胞线粒体功能障碍的发生。

2.3 Ca2+超载

Ca2+是调控细胞正常生命活动的一种重要元素。当细胞遭受损伤因素使细胞内Ca2+异常升高时，细胞内钙依赖性磷脂酶激活，分解膜磷脂使线粒体膜损伤，线粒体膜通透性增加，线粒体内游离Ca2+浓度增加。线粒体Ca2+超载能通过促进脂质过氧化和氧化磷酸化解偶联增加线粒体内ROS的生成。升高的ROS会使膜脂质过氧化损伤线粒体内膜通透性，且Ca2+的升高直接促进mPTP的开放，均会使线粒体内Ca2+进一步增加，从而形成恶性循环，加剧线粒体的损伤和功能障碍[12]。线粒体内Ca2+超载可引起线粒体呼吸链氧化磷酸化解偶联，阻碍ATP生成；线粒体膜损伤造成的线粒体通透性增加还可导致线粒体肿胀，嵴断裂，线粒体内空泡化，损害线粒体正常功能。

2.4 基因表达异常

线粒体是一种半自主细胞器，由核DNA(nDNA)和线粒体DNA(mtDNA)两套遗传系统共同调控。编码调控线粒体的基因表达异常是造成线粒体功能障碍的一个重要原因。线粒体复合体Ⅰ位于电子传递链的首位，是ROS产生的重要位点，其功能障碍能显著改变细胞能量代谢和氧化还原稳态。例如NDUFS4基因编码的亚基参与复合体Ⅰ组装和维持其结构稳定，Leong等[13]发现NDUFS4基因缺陷能导致复合体Ⅰ结构的缺陷，NADH/NAD+比例失调，脂肪酸β-氧化受到抑制。

引起线粒体功能障碍的因素往往互为因果，相互促进，其中ROS是联系引起线粒体损伤各个因素的重要枢纽。代谢异常、基因突变、Ca2+超载等引起的线粒体功能障碍都会导致ROS的增高，而ROS的增高可增加NO的产生、Ca2+超载以及基因突变的发生，它们共同调控肿瘤的发生和演进。

3 线粒体功能障碍与肿瘤

3.1 线粒体代谢异常与肿瘤发生、侵袭与转移

三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle, TCA)是糖类、脂类和氨基酸这三大营养素的最终代谢通路，是联系线粒体代谢的中心枢纽。三羧酸循环包括8种酶，这些酶的异常与多种肿瘤发生关系密切，如胃癌[14]、肺癌[15]、胰腺癌[16]、乳腺癌[17]、骨肉瘤[18]、黑色素瘤[19]等。柠檬酸酶(citrate synthase， CS)是TCA循环的首个限速酶，不可逆催化乙酰辅酶A和草酰乙酸生成柠檬酸促进三羧酸循环。Lin等[20]通过敲减宫颈癌HeLa细胞CS表达，发现HeLa细胞出现代谢异常，ATP合成减少，糖酵解增加，线粒体膜电位降低。在小室迁移实验和侵袭实验中敲减CS组通过基质胶的细胞数目比对照组分别高5、10倍，将癌细胞移植到小鼠皮下或尾静脉注射，8～14 d后敲减组小鼠皮下肿瘤大小、体积明显大于对照组，并且心脏、肺、肝脏、淋巴结、骨髓出现明显肿瘤转移，同时HE染色和免疫组化发现肿瘤标记物波形蛋白表达明显增多。异柠檬酸脱氢酶(isocitrate dehydrogenase，IDH)作为TCA关键酶之一，近年来研究显示多种肿瘤如神经胶质瘤、急性早幼粒细胞白血病、胆管细胞癌、软骨肉瘤等[21]存在IDH突变，导致正常代谢中间产物α酮戊二酸生成减少，羟戊二酸生成增多，后者可以抑制组蛋白和DNA去甲基化[22]，阻碍细胞正常分化，通过表观遗传学促进肿瘤生成。Lu等[23]的研究同样证明了突变的IDH可以引起DNA超甲基化，羟戊二酸生成增加，导致分化异常，并通过动物实验证明IDH突变促进肿瘤形成。复合体Ⅰ是电子传递链的第一个位点，NADH脱氢酶Ndi1可以促进NADH转换为NAD+，促进复合体Ⅰ活动。Santidrian等[24]将过表达Ndi1的乳腺癌细胞注射到小鼠皮下或左心室，6～8周后皮下肿瘤和肺部肿瘤明显小于对照组，当注射给予NAD+前体干预的乳腺癌细胞后表现出相似结果，而注射敲减复合体Ⅰ相关基因NDUFV1的癌细胞的小鼠皮下和肺部肿瘤显著增大，证明复合体Ⅰ功能异常可以影响NAD+/NADH比例引起代谢异常，在乳腺癌的生长和转移过程中发挥调控作用。He等[25]通过敲减乳腺癌细胞复合体Ⅰ亚基GRIM-19 或 NDUFS3抑制复合体Ⅰ活动后，ROS生成受到抑制，而癌细胞黏附、侵袭、迁移能力增强。复合体Ⅲ是线粒体内ROS产生的重要位点之一，细胞色素B是复合体Ⅲ的一个重要亚基，Dasgupta等[26]报道细胞色素B基因突变使ROS、氧消耗率以及乳酸生成均明显升高，导致细胞代谢紊乱，并通过NF-κB信号通路加快细胞周期进程，显著促进肿瘤的生长。这些研究成果说明了线粒体代谢异常具有促进肿瘤生成、生长、侵袭和转移的作用。

3.2 ROS与肿瘤生长、侵袭和迁移

当肿瘤生长速度超过血管能量供应能力之后，往往引起局部缺氧微环境。缺氧减少了非特异性ROS，但线粒体膜间隙ROS增加，并在胞浆抑制脯氨酰羟化酶(prolyl hydroxylases ，PHDs)，激活HIF转录因子[27]。乳腺癌细胞升高的ROS促进缺氧诱导因子-1α(hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α)表达[28]，促进了癌细胞迁移和侵袭[29]。ROS可以进入细胞核引起DNA突变，也可以攻击裸露的mtDNA导致线粒体基因组突变。Martinezoutschoorn等[30]研究表明肿瘤相关成纤维细胞小窝蛋白1(caveolin 1)的丢失引起NO表达增加，导致线粒体功能障碍和ROS增多，后者引起邻近癌细胞基因突变。此外，ROS可以攻击蛋白磷酸酶，使其失去活性，引起MAPK-ERK/AKT信号通路异常，促进肿瘤增殖。

3.3 线粒体基因异常与肿瘤发生

多种肿瘤广泛存在mtDNA突变，而具体到某一种肿瘤可能存在多位点突变[31]。突变的mtDNA抑制氧化磷酸化，引起生物能学改变，与肿瘤发病密切相关。复合体Ⅰ是线粒体产生ROS和维持NAD+/NADH平衡的重要位点，与复合体Ⅰ相关的mtDNA的突变往往改变代谢和氧化还原反应，促进甲状腺癌、乳腺癌、结肠癌、膀胱癌等[32]发生。Lang等[33]通过mtDNA测序发现肾嗜酸细胞瘤mtDNA突变率远远高于其他肾脏肿瘤，提示mtDNA突变可以作为鉴别肾嗜酸性细胞瘤与其他肾脏恶性肿瘤的指标。mtDNA可以与线粒体转录因子A(mitochondrial transcription factor A ，TFAM)结合，TFAM突变、核异位可以引起mtDNA损耗，TFAM过表达往往促进肿瘤的增殖。同时，mtDNA编码的RNA解螺旋酶SUV3与肿瘤发生有关，敲除SUV3的纯合子小鼠往往胚胎期死亡，而杂合子小鼠mtDNA突变增多、拷贝数减少，肿瘤易感性增加，存活期缩短[34]。

3.4 Ca2+失调与肿瘤发生和演进

Ca2+超载是导致线粒体功能异常的重要因素，越来越多研究[35～37]表明Ca2+稳态失衡是肿瘤的一种特征，参与调控肿瘤生成和演进。细胞内Ca2+升高促进呼吸链产生更多ROS，升高的ROS可以增加内质网释放Ca2+，从而进一步促进ROS产生[38]，而ROS作为线粒体功能障碍的诱导因素，密切参与肿瘤的发生发展。在前列腺癌中，钙通道相关蛋白 TRPV6表达增多，促进Ca2+内流入胞浆，引起Ca2+超载，并进一步促进癌细胞增生，抑制凋亡，同时动物实验表明与不良预后相关[37]。同时，Ca2+转运相关蛋白IP3R表达增多与乳腺癌、结肠癌、胃癌演进密切相关[39-41]，引起肿瘤Ca2+稳态失调，导致线粒体Ca2+超载，最终使肿瘤细胞凋亡机制异常。此外，作为癌基因Bcl-2家族的成员之一，Mcl-1通过Mcl-1L、Mcl-1S两种异构体比例调控线粒体Ca2+稳态和线粒体融合、分裂[42]，改变细胞对凋亡刺激的敏感性。

4 小结

线粒体在机体氧化磷酸化、物质代谢、氧化应激、凋亡、Ca2+调节发挥重要作用，而线粒体代谢异常、ROS增多、线粒体基因突变、Ca2+超载、凋亡异常与多种肿瘤发生、生长、侵袭、转移等[20，23～26，29，32，37，39～41]关系密切。随着对线粒体功能障碍与肿瘤作用机制的进一步研究，我们对线粒体基因功能在肿瘤致病机理方面会有更多的认识，肿瘤的靶向治疗有望取得更多进展，我们希望将来能够从线粒体基因功能方面探索靶向治疗等新的微创方法。

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(修回日期：2016-10-18)

(责任编辑：李贺琼)

Mechanisms of Mitochondrial Dysfunction and its Influence on Cancer

LiQi,ChenBin,QinZelian.

DepartmentofPlasticSurgery,PekingUniversityThirdHospital,Beijing100083,China

QinZelian,E-mail:qinzl@bjmu.edu.cn

Mitochondrion; Gene; Dysfunction; Cancer

教育部博士点项目博导专项课题资助基金(项目编号：20130001110095)

A

1009-6604(2016)12-1150-05

10.3969/j.issn.1009-6604.2016.12.023

2016-08-31)

**通讯作者，E-mail:qinzl@bjmu.edu.cn

【Summary】 As a main cellular organelle for bioenergy production, the mitochondrion plays a pivotal role in aerobic respiration, substance metabolism, oxidative stress, apoptosis and calcium homeostasis. Increasingly studies have shown a close relationship between mitochondrial dysfunction and cancer. Mitochondrial metabolic disturbance, reactive oxygen species (ROS) increase, mitochondrial gene mutation, calcium overload and abnormal apoptosis can influence tumorigenesis, growth, invasiveness and metastasis of multiple tumors. We aimed to summarize the mechanisms and influences of mitochondrial dysfunction on cancer.