线粒体DNA和抗癌药物的关系研究进展

贾立明 员丽娜 常诚

【摘要】 线粒体DNA（mitochondrial deoxyribonucleic acid，mtDNA）是一具有16 569碱基对的双链闭环分子，它包含22个转移核糖核酸（transfer ribonucleic acid，tRNA）和2个核糖体核糖核酸（ribosomal ribonucleic acid，rRNA）基因，并编码13个有关细胞线粒体氧化磷酸化的蛋白多肽。活性氧（Reactive oxygen species，ROS）在细胞凋亡转运途径中，处于中心环节。抗癌药物引起mtDNA损害后发生细胞凋亡，mtDNA可作为治疗癌症的药物的靶点。由于mtDNA的结构特点，使得mtDNA较核脱氧核糖核酸（nuclear deoxyribonucleic acid，nDNA）更易受到ROS和DNA的损伤剂的攻击，造成损害。mtDNA已作为开发研制抗癌药物的重要靶点。mtDNA在肿瘤和化疗药物研究中起到重要的作用。本文就抗癌药物与mtDNA相关研究做一综述。

【关键词】 线粒体DNA； 抗癌药物； 肿瘤

【Abstract】 Mitochondrial DNA （mitochondrial deoxyribonucleic acid，mtDNA） is a 16 569 base pairs of double closed loop chain molecules，it contains 22 transfer RNA（transfer ribonucleic acid，tRNA） and two ribosomal RNA（ribosomal ribonucleic acid，rRNA） gene，and code 13 relevant cells mitochondrial oxidative phosphorylation protein polypeptide.Reactive oxygen species（ROS） is the central link in the pathway of death in apoptosis.mtDNA is an important target for treating cancer drugs，and some cancer drugs cause mtDNA damage and apoptosis.Because of the structural characteristics of mtDNA，mtDNA makes nuclear deoxyribonucleic acid（nDNA） more vulnerable to attacks by ROS and DNA damage agents.mtDNA has been used as an important target for developing anticancer drugs.mtDNA therefore plays an important role in the study of tumor and chemotherapy drugs.This article reviews the research on anticancer drugs and mtDNA.

【Key words】 Mitochondrial DNA； Anticancer dugs； Tumour

First-authors address：The 264 Hospital of Peoples Liberation Army，Taiyuan 030001，China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2018.11.035

真核细胞基因组包括核基因组和线粒体基因组，线粒体DNA（mitochondrial deoxyribonucleic acid，mtDNA）和核脱氧核糖核酸（nuclear deoxyribonucleic acid，nDNA）作为真核细胞基因组的基础遗传多肽基因。人类mtDNA是一条具有16 569 bp的双链闭环分子，它包含22个tRNA基因、2个rRNA基因和13个相关线粒体氧化磷酸化的蛋白质基因，即复合物Ⅰ包含的7个亚单位（ND1、ND2、ND3、ND4、ND4L、ND5、ND6），复合物Ⅲ所含的1个细胞色素b亚单位，复合物Ⅳ包

括的CoⅠ、CoⅡ、CoⅢ3个亚单位，以及复合物Ⅴ的2条6和8亚单位；mtDNA的复制起始位点在D-环

（displacement-loop，D-loop），其是mtDNA上的非編码区，位于16 028～577 np，约占全部mtDNA的6%，负责调控mtDNA的转录和复制[1]。随着现代分子生物学研究mtDNA的进展，为阐明人类Alzheimer病、衰老、糖尿病及癌症等疾病的发病机制奠定了基础，也为这些疾病的临床治疗提供了思路[2]。mtDNA是抗癌药物的重要作用靶位，关于抗癌药物与癌细胞mtDNA相互作用的研究已非常普遍。下面就抗癌药物与mtDNA相互作用的有关研究做一概述。

1 mtDNA的结构特征

mtDNA同nDNA差异明显，主要体现在如下方面：（1）mtDNA位于线粒体内膜附近，裸露在线粒体基质中，且无组蛋白保护；（2）mtDNA过于靠近呼吸链，因此更容易受到ROS的侵害；（3）mtDNA的自身修复系统单一，主要途径是碱基切除，且修复效率低下；（4）由于mtDNA内不含有内含子，且为封闭式双环链状，具有高复制率，抗肿瘤药物作用的靶点多，并有较强的敏感性；（5）高脂特性和裸露开放性的mtDNA[3]。

依据mtDNA的结构属性可以得出，mtDNA的高脂特性和裸露开放性，使其更易与抗癌药物结合，以及抗癌药物能在mtDNA上优先聚集。文献[4]研究结果显示，抗癌药物与mtDNA的结合更快捷和充分。

2 肿瘤细胞内mtDNA数量及结构改变

mtDNA离体制品半定量实验证据表明，线粒体来源不同组织中mtDNA含量基本相近，1 mg线粒体蛋白含0.2～0.5 μg的mtDNA。而癌细胞线粒体中的mtDNA含量显著增多，如大鼠腹水癌细胞1 mg线粒体蛋白则含有2.5 μg的mtDNA，1个Hela细胞含有mtDNA能达到8 800个之多。实验采用mtDNA（地高辛标记）探针原位杂交方法，比较恶性、良性肿瘤细胞的mtDNA的含量，显示癌细胞内含的mtDNA拷贝数显著增多，推测机制同mtDNA的突变、缺失、重排有关[5]。

从mtDNA生化特征角度和其研究结果显示，癌细胞、良性肿瘤细胞和正常细胞在mtDNA分子的长度、外形、密度浮力、核苷酸组成比率以及环二聚体频率等方面，对比结果均无显著的差别[6]。实验系统地分析了以肺癌为主的人类mtDNA癌细胞的一级结构，发现癌细胞mtDNA基因编码区的一级结构非常稳定，重要的核苷酸变异则位于D-loop[7-9]。Barbara等[10]对多种实体瘤细胞mtDNA的一级结构研究亦有类似发现。总体结果表明，癌细胞mtDNA一级结构与正常细胞无明显差异。

3 与mtDNA相互作用的抗癌药物

3.1 核苷类似物 阿糖胞苷（cytarabine，AraC）和吉西他滨（Gemcitabine，dFdC）主要用于肿瘤化疗。核苷类似物AraC，需要途径细胞膜核苷传递系统转入细胞内，磷酸化后的AraC，最后产生具备细胞毒性的活性物质Ara CTP，进入DNA链内，阻断了DNA链的持续扩展，进而阻断了DNA的合成以及DNA碎片化，诱导了细胞凋亡的发生。这类核苷类似物经过核苷转运体整合进入细胞中，核苷类似物在细胞内被核苷和核苷激酶磷酸化后，呈现出三磷酸盐的药理学活性模式，三磷酸核苷类似物同脱氧核糖核苷相互竞争成为DNA多聚酶的底物，核三磷酸核苷类似物融入DNA合成链上集成，干扰DNA的扩展，导致细胞凋亡。

实验研究证实了磷酸化后的核苷类似物，大量聚集在线粒体内，从而影响mtDNA的复制或转录；融入mtDNA的核苷类似物，导致线粒体的损害常用是迟发的，多数在用药几周后出现；文献[11-12]研究报道，在线粒体磷酸化的核苷类似物掺入mtDNA几天以后，就能使细胞死亡。

核苷类似物的热点研究，多集中在2-chloro-2′-deoxyadenosine（CldAdo，cladribine）上，这是一种脱氧腺苷类似物，现在已被美国食品和药品管理局（FDA）批准应用治疗白血病。CldAdo作为人DNAγ-多聚酶的底物，它可掺入mtDNA，直接干扰mtDNA的延展，并减少线粒体13个多肽mRNA的含量，最终降低线粒体蛋白亚单位的水平，电子转运和氧化磷酸化过程必须有线粒体蛋白亚单位参与[13]。实验证据表明，CldAdo能够有效减轻毛细胞白血病（hairy cell Leukemia）患者的病情[14]。

3.2 顺铂 顺铂广泛应用于各类肿瘤的治疗，其中包括肺癌、卵巢癌、睾丸癌、头和颈部肿瘤等。顺铂与nDNA的交和作用后产生了顺铂的细胞毒性。经过实验研究，已成功分离萃取出了顺铂和脱氧核糖核苷相互整合的产物，包含各种顺铂nDNA的加成物。主要有两种顺铂nDNA的加成物，Cis-Pt（NH3）2d-（GpG）和Cis-Pt NH3）2d-（ApG），它们占到顺铂nDNA加成物的90%之多[15]。另外，实验研究发现，顺铂融合于CHO细胞24 h后，nDNA加成物浓度要比mtDNA加成物浓度低4～6倍；另有研究显示，nDNA加成物的形成明显晚于mtDNA，并且nDNA加成物的清除显著早于mtDNA[16]。因此说明，作用于癌细胞的顺铂，能同步影响nDNA及mtDNA，造成DNA的修复功能缺损，导致癌细胞死亡[17]。实验研究显示，放疗同时应用顺铂，能够显著提升针对mtDNA的损伤，致癌细胞凋亡加速，进而提高放疗的作用[18]。然而顺铂能够直接造成mtDNA基因片段的缺失，导致怀孕大鼠的肾细胞线粒体呼吸链复合体Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ酶以及胎鼠肝、肾细胞线粒体呼吸链复合体Ⅱ、Ⅳ酶活性显著减低，动物实验证明顺铂均能侵害母婴的细胞mtDNA，因此临床上对于孕妇要谨慎用药。

3.3 亲脂阳离子化合物 一个新的Rhodonyanint染料MKT-077，它集结于癌细胞的线粒体，并聚焦作用于线粒体位点上，形成亲脂性离子化合物电子离域，为今后的抗癌提供了一种新的思路[19]。不管体内、体外的癌细胞，它都对其有选择性细胞毒性作用。MKT-077作为抗癌药已用于Ⅰ期临床试验[20]。同其他的亲脂阳离子一样，MKT-077易在线粒体内积聚[21]。有人指出通过增加摄取产生的选择性线粒体毒性，是这类化合物选择性杀死肿瘤细胞的基础[22]。Modica-Napolitano等[4]在生化和分子水平研究证明了这类化合物具有诱导和选择损伤线粒体的作用，这就能解释MKT-077可以具备高选择性杀死肿瘤细胞的能力。

3.4 阿霉素 阿霉素是临床常用的抗肿瘤药物之一。文献[23]研究结果显示，阿霉素对不携带mtDNA的癌细胞极不敏感，却对含mtDNA的肿瘤细胞较敏感。阿霉素的可能作用机制，酶复合物1将阿霉素还原成半醌自由基，进入线粒体内后，参加氧化磷酸化反应，产生众多自由基，这些对生物大分子有高度敏感性的自由基，能侵害mtDNA，从而加快了线粒体及细胞的进一步损伤或死亡。实验中将阿霉素同时加入富含线粒体的HSL2细胞（Rho+，HeLa subline）和缺失线粒体细胞（Rho0）以后，Rho0细胞对阿霉素产生了明显耐药，Rho+细胞则对阿霉素极度敏感，而上述这两种细胞对其他烷化剂以及γ射线的敏感性试验，对比结果则差异无统计学意义（P>0.05），文献[24]研究结果证明，mtDNA是阿霉素的特异敏感性靶点。实验采用DNA交联检测方法，将乳腺癌MCF-7细胞nDNA二氢叶酸还原酶与阿霉素产生的交联产物和mtDNA与阿霉素形成的交联产物含量作相互对比研究，观察到每20 000 bp片段可产生1枚交聯物，且比较两者之间交联产物水平无明显差异性[25]。GpC岛是mtDNA D-loop的特异性序列。文献[26]研究表明，阿霉素对mtDNA中的GpC岛具有高度敏感性，交联产物极易形成。这充分证明了mtDNA同阿霉素的细胞毒性作用密切相关，也可以解释阿霉素易引起富含线粒体的心肌细胞损伤的原因。

3.5 博來霉素 博来霉素常用于鳞状细胞癌和淋巴瘤的治疗，但常伴随肺、皮肤、骨髓毒性。经博来霉素治疗后，会出现线粒体的损害，如肿胀、肥大、数目减少。Shen等[27]报道用博来霉素处理24 h后的鼠成纤维细胞，mtDNA由密闭的环变为开放的环。Lim等[28]研究结果显示，博来霉素最先诱发mtDNA的单链破裂。文献[28]研究表明，博来霉素在诱导细胞死亡的急性髓细胞性白血病（Acute Myelogenous Leukemia，AML）细胞中损害了mtDNA。观察到博来霉素可降低AML细胞的质量和基底耗氧量。同时证实mtDNA损伤在博来霉素诱导的细胞死亡中发挥着重要的作用。mtDNA靶向治疗可能是靶向AML细胞的有效策略，因此博来霉素治疗AML将成为可能[29]。

3.6 抗氧化剂 ROS是一种重要的信号分子，它可以调节一般的应激反应。这种对ROS作用的新观点对研究的解释产生了明显的影响，其中抗氧化剂被用于治疗与氧化应激有关的人类相关疾病[30]。抗氧化剂（Antioxidants）是能够防止氧化应激损伤的物质，能针对氧自由基及时进行捕获及中和，进而清除氧自由基对人体的伤害。抗氧化剂能够减轻细胞的氧化侵害，同时缓解mtDNA突变、缺失、重排带来的线粒体功能障碍。文献[31-32]研究显示，辅酶Q10和维生素E均是将线粒体作为靶位点的氧清除剂，它们能够清除氧自由基，同时提高人体免疫机能，起到预防各类疾患以及抗癌等效果，联合使用两者，能充分有效抑制肿瘤的扩散。

n-乙酰半胱氨酸（NAC）作为活性氧清除剂，骨髓细胞的基因表达谱显示了Fasl基因的上调，NAC可以抑制该基因的表达。鉴于自然杀伤细胞通过增强基因编码的凋亡配体，包括Fasl基因，介导各种肿瘤细胞的凋亡，其过度表达将反映骨髓细胞中常见的淋巴瘤的发展。文献[33]观察表明，NAC可以防止由ROS过量产生的淋巴瘤增殖。近期实验证实某些中药，以及其中的活性成分，能够移除线粒体生产的ROS，黄连碱、叶黄素等则具有强烈的促进生成ROS的作用，药用植物丹参的根茎提取成分丹酚酸B，丹酚酸B能够显著增加射线照射后人胶质瘤U251细胞ROS的产生，并增加线粒体的肿胀程度，说明这些药物具有潜在的修复线粒体损害或抗癌机能以及增加放疗的敏感性[34-35]。另有矛盾的研究结果，抗氧化剂NAC和维生素E治疗会增加前列腺癌风险，用其来补充饮食会显著增加肺癌的进展，并降低B-RAF-k-ras-诱发型肺癌小鼠模型的存活率[36-37]。

某些抗氧化剂治疗肿瘤无效，也许与缺乏特异性作用靶点有关。由于人体免疫机能系统对ROS变化非常敏感，因此一般的抗氧化剂可以干扰患者发生恶性肿瘤相关的生理过程[38]。文献[39-40]研究表明，靶向线粒体抗氧化剂可以抑制癌细胞的生长。因此，研究靶向特异性抗氧化剂作为治疗癌症仍还有一定的可行性。

4 展望

mtDNA作为众多药物的一个重要靶点，对于研究肿瘤、帕金森病、Alzheimer病、糖尿病的治疗有重要意义。鉴于众多癌细胞mtDNA的高效复制率，以及其能够显著增加拷贝数，而且mtDNAD-loop独有的GpC岛、多聚T等特征性的排序，所以，针对mtDNA生化结构特点，研制新型的特异性靶向抗癌药物已成为一种可能。

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