线粒体动力学障碍在癌症中的研究进展

张晓云， 张亚京， 钟 艳， 胡志达， 窦永青， 常 奕

(河北中医学院， 河北 石家庄 050220)

线粒体被普遍认为是细胞能量生产的“工厂”，在真核细胞中起着十分重要的作用。有氧条件下，三磷酸腺苷(adenosinetriphosphate，ATP)作为细胞能量的直接来源，大约90%是在线粒体中通过氧化磷酸化(oxidative phosphorylation，OXPHOS)途径产生，以满足细胞对生物能量需求[1]。此外，大量研究表明线粒体已经成为真核细胞的中心信号枢纽[2]，其功能与所有其他细胞器密切相关，影响细胞基因表达、调节细胞周期、维持Ca2+稳态、参与细胞凋亡、调控细胞对环境不断变化的适应性等，发挥重要生物学作用[3,4]。

线粒体是高度动态的细胞器，在经历突然内源性和外源性刺激或损伤时，通过改变其自身结构满足细胞的能量和生理需求，形成一个活跃的网络，提示其结构的变化与功能的实现密不可分。在细胞内，线粒体不断进行分裂与融合，从而维持线粒体形态和网络结构稳定的动态平衡过程，被称为线粒体动力学。近年来越来越多研究表明，线粒体动力学紊乱与癌症特征密切相关，例如癌症的耐药、肿瘤干细胞的维持、癌症疾病进展等，也成为了癌症研究的热点[5,6]。因此，本文通过对线粒体动力学的概述和线粒体动力学紊乱在癌症发生发展中的作用进行总结，旨在为癌症研究提供新的理论参考。

1 线粒体动力学概述

线粒体是由外膜(outer mitochondrial membrane，OMM)、膜间隙、内膜(inner mitochondrial membrane，IMM)和基质组成的双膜细胞器[7]。线粒体两层膜的结构和功能各不相同。OMM是线粒体信号的主要平台。IMM有许多褶皱，称为嵴，是电子传递链组装和OXPHOS的位点，主要涉及线粒体能量转换[8]。此外，由于线粒体中含有氧利用的终端电子受体复合物IV，生成能量的同时，使得线粒体也成为细胞内活性氧(reactive oxygen species，ROS)的主要来源[9]。ROS具有氧化脂质、核酸和蛋白质的潜在危害，使线粒体成为代谢性和退行性疾病以及衰老的病因之一。线粒体动力学的两个关键方面，取决于线粒体融合和分裂的交替循环。面对内源性和外源性刺激，线粒体能够不断调整其结构、分布及整体适应性，达到融合和裂变机制之间的动态平衡。例如，在营养缺乏过程中，线粒体融合在一起，形成相互连接的丝状网络，以共享前体营养、mtDNA、ETC成分，并维持OXPHOS。相反，线粒体分裂产生更小、碎片化的线粒体，这有利于线粒体向高能量需要区域移动，或有丝分裂后线粒体向子细胞均匀分布[10]。因此，线粒体动力学调控的线粒体融合、分裂及二者的动态平衡，决定线粒体形状、丰度和质量。

1.1线粒体融合:在哺乳动物细胞中，线粒体的融合是由两种属于大型GTPases的动力蛋白相关家族成员调节，分别是位于OMM的MFN1、MFN2和位于IMM的OPA1。MFN1和MFN2虽然具有非常高的同源性和相似的结构组织，但两种丝裂蛋白具有不同的功能。MFN1和OPA1是融合反应的核心成分，而MFN2在融合中的确切作用尚不清楚。有研究表明MFN2参与线粒体-线粒体、线粒体与其他细胞器(特别是内质网)的相互作用[11]。由预测的GTPase结构域和羧基末端的末端组成最小MFN1晶体结构表明MFN1以GTP依赖的方式二聚形成人工膜聚簇，进而拉进两个毗邻的线粒体外膜，形成三种不同的同型或异性寡聚物，促进OMM融合[12]。对于全长MFN1是否也是如此还有待确定。线粒体动力学早期表明OPA1直接参与IMM融合、线粒体DNA维持和嵴形成[13]。有证据表明，在真核生物中至少存在八种OPA1亚型，每一种亚型都有特定的功能。总的来说，OPA1主要有两种存在形式长OPA1(long OPA1protein structure，L-OPA1)和短OPA1(short OPA1protein structure，S-OPA1)。L-OPA1亚型决定了线粒体融合，而S-OPA1亚型参与了线粒体分裂[14,15]。体外研究表明，L-OPA1在膜间建立了两种类型的相互作用:两个不能融合的L-OPA1分子间的同型反式相互作用;L-OPA1和心磷脂之间的异型反式相互作用具有融合能力。与S-OPA1在嵴生物发生中的作用类似，将S-OPA1添加到反式L-OPA1心磷脂复合物中增强了膜融合[15]。有研究合理推测由GTP水解刺激的MFN1激活，MFN1寡聚介导OMM融合孔的协调形成，促使OPA1右转螺旋组装介导的IMM融合，线粒体的融合依赖于L-OPA1和S-OPA1之间的适当平衡[16]。总体而言，OPA1的加工对线粒体动力学有广泛的影响，具体不同形式的OPA1功能有待进一步探究。

1.2线粒体分裂:线粒体的分裂主要由动力相关蛋白1(dynamin-related protein 1，DRP1)介导，从胞质转位到线粒体，与OMM受体结合，结合之后DRP1寡聚并驱动剪切。DRP1受体主要包括线粒体裂变因子(mitochondrial fission factor，MFF)、线粒体动力学蛋白49kDa(mitochondrial dynamics protein of 49kDa，MID49)、线粒体动力学蛋白51kDa(mitochondrial dynamics protein of 51kDa，MID51)、线粒体裂变1蛋白(mitochondrial fission 1 protein，FIS1)，其中在哺乳动物中MFF作用最为突出[17]。通过MID49/MID51-DRP1-GTP复合物的低温电镜分析，对DRP1介导的剪切机制有了深入的了解。GTP与DRP1结合诱导线粒体膜上线性聚合物的形成，并通过与受体的相互作用稳定下来。随后的GTP水解与聚合物缩短有关，聚合物卷曲成内径为16nm的闭合环，在线粒体完全收缩的范围内。也有证据表明，即使在没有DRP1受体的情况下，DRP1也可以形成寡聚，但结构研究表明在此情况下，非核苷酸依赖的膜收缩，最终直径为30-70nm，并不足以驱动整个线粒体收缩，表明该线粒体完成分裂的过程需要其他DRPs[18]。此外，DRP1是一种必须转移到线粒体以诱导裂变的胞质蛋白。这种易位依赖于DRP1的Ser637的磷酸化-去磷酸化。这种由PKA介导的修饰降低了DRP1的GTPase活性，促进线粒体融合导致线粒体伸长。同样的位点可以被Ca2+依赖的钙调磷酸酶去磷酸化，促使线粒体的分裂。也有研究表明线粒体裂变位点与内质网小管紧密相关，内质网小管与肌动蛋白细胞骨架共同支持线粒体膜收缩，影响线粒体的分裂[19]，表明线粒体分裂的过程比DRP1介导的膜断裂要复杂得多。

2 线粒体动力学障碍与癌症

线粒体动力学障碍主要表现线粒体融合与分裂失衡，其特征是线粒体膜电位降低和ROS产生增加，导致细胞内能量生成减少，最终引起线粒体功能和细胞稳态的破坏。近年来，有研究发现癌细胞的发生发展与线粒体动力学功能障碍、线粒体自噬细胞过程之间存在着密切的联系[20]。癌细胞根据其能量和合成需求来调节线粒体的形态，以维持细胞增殖和迁移，并逃避细胞凋亡的发生。

2.1线粒体融合障碍与癌症:MFNs或OPA1功能的改变导致线粒体融合减少，线粒体动力学的平衡转向过度碎片。Zhang等[21]研究表明，MFN1功能缺失触发了肝细胞癌的上皮-间充质转化，有利于HCC转移和侵袭性。体外实验表明，敲低MFN1会重编程葡萄糖代谢，诱导糖酵解途径。Han等[22]证实在缺氧情况下，卵巢癌细胞株SKOV3和PA1中MFN1 mRNA表达水平下调，导致ROS的产生增多，导致线粒体分裂融合比增加，卵巢癌细胞株的顺铂耐药性增强。随后，Mdivi-1处理抑制线粒体分裂，抑制了两种细胞系对顺铂的耐药性。尽管与MFN1相比，MFN2的促融合能力较低，但MFN2与Sirtuin1(SIRT1)被证明参与了胃癌中YAP蛋白的活性的调节[23]。在胃癌细胞株GES-1和AGS的体外实验表明，MFN2/SIRT1轴不仅有助于促进细胞自噬和抑制caspase-9介导的细胞凋亡，还能够促进片状足的形成，促进细胞迁移。同时，MFN2还能显著抑制胰腺癌细胞中p-PI3K、p-Akt、p-mTOR蛋白的表达。此外，MFN2还能抑制胰腺癌细胞增殖和ROS的产生。Kaplan-Meier曲线评估显示，MFN2-胰腺癌的预后较MFN2+胰腺癌差。

鉴于OPA1在线粒体形态和功能调控中的重要作用，有研究聚焦于其在癌症中的活性。近期研究表明，在卵巢癌中OPA1水平升高，同时伴随线粒体有氧代谢、线粒体数量增加，线粒体生产的两个主要调控因子过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1-α(PGC1α)和线粒体转录因子A(TFAM)表达增加。Herkenne等[24]首次证明，肿瘤发育和血管生成也需要OPA1。在血管内皮细胞中，血管生成刺激引起OPA1表达反应，随后抑制活化B细胞核因子κ-轻链增强子，最终有利于促血管生成基因的表达和血管生成，促进肿瘤形成和增强肿瘤的侵袭性。此外，OPA1部分介导了withafin A(WA)在乳腺癌细胞中的抗肿瘤活性。WA处理人乳腺癌细胞系MCF-7和SUM159后，细胞色素还原酶(电子传递链复合体Ⅲ)组装和表达减少，OPA1表达量减少，线粒体体积减少，融合减少。

2.2线粒体分裂障碍与癌症:Liang等[25]研究表明DRP1在胰腺癌细胞系和组织样本中表达显著上调，体内外实验证实DRP1促进细胞生长和侵袭性，促进G1-S期转化和MMP2的表达。此外，DRP1同时增加了线粒体分裂的糖酵解活性。Nagdas等[26]证明了胰腺癌细胞中DRP1缺失，肿瘤细胞糖酵解正常，线粒体形态受损，最终导致TCA循环受损和脂肪酸β氧化受损，在KRas驱动肿瘤模型中具有显著的生存优势。在KRas突变型非小细胞肺癌的研究中发现，DRP1促进KRas突变的非小细胞肺癌细胞的乳酸利用，抑制ROS产生。Chauhan SS等[27]发现抑制丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶(PIM)，可显著增加DRP1蛋白表达水平和线粒体定位，导致线粒体明显碎裂，增加线粒体ROS的产生和对药物治疗的耐药性。抑制PIM可使非小细胞肺癌对化疗致敏，并在体内外产生协同抗肿瘤反应。Guo等[28]发现PINCH-1在肺腺癌中高表达，并通过调节线粒体动力学促进脯氨酸合成。PINCH-1敲除增加DRP1的表达和线粒体碎裂，抑制kindlin-2线粒体易位以及与PYCR1的相互作用，从而抑制脯氨酸合成和细胞增殖。

3 线粒体功能异常与癌症

线粒体代谢和氧化应激通常调节线粒体动态。线粒体分裂和融合的比例，以及它们的形态和分布，可以调节各种生物过程，包括能量生产。当细胞受到不良刺激时，线粒体通过融合形成大的线粒体，增强细胞对不良刺激的应对能力。同时，有研究表明肿瘤微环境中，各种细胞应激会促进线粒体异常分裂，增加ROS的水平，增强肿瘤细胞的侵袭性，诱导其远处转移[29]。线粒体分裂增加和融合减少导致线粒体功能异常通常与癌症发生密切相关。

3.1线粒体能量代谢异常:线粒体是代谢、生物合成和氧化还原状态平衡的生物能量枢纽。癌细胞的异型性是疾病进展和治疗失败的主要原因，这是由于肿瘤干细胞等功能不同的亚群的存在。OXPHOS是肿瘤干细胞的主要能源。癌细胞通常被称为基质的非癌性宿主组织所包围，基质在肿瘤生长和转移中起着重要作用。依赖OXPHOS的肿瘤干细胞可以利用基质细胞释放的各种代谢物来适应肿瘤微环境的变化，并为TCA循环提供原料。Peiris-Pages等[30]研究发现mDIVI1是线粒体裂变蛋白DRP1的抑制剂，可诱导线粒体氧化应激和有效降低线粒体代谢，抑制乳腺癌细胞中3D肿瘤球形成能力、细胞迁移和干细胞相关信号，这表明mDIVI1可能被用于治疗性消除癌症干细胞。miR-125a具有抑制线粒体裂变的能力，有助于细胞存活。低含量的miR-125a可上调Mfn2的转录和表达，导致线粒体分裂失活。通过抑制线粒体分裂导致线粒体碎片减少，保留线粒体膜电位，抑制线粒体通透性过渡孔开放，减少细胞色素c向细胞质渗漏，降低促凋亡蛋白含量，最终阻断线粒体相关凋亡途径。此外，miR-125a诱导的缺陷线粒体分裂通过促进电子传递链复合物的活性增强了线粒体依赖的能量代谢。通过保持F-actin平衡，抑制线粒体裂变也有助于PANC-1细胞的迁移。上述研究表明，线粒体裂变是一个miR-125a调控的肿瘤抑制过程，其作用是限制PANC-1细胞的生存、能量代谢和迁移，这对胰腺癌治疗的新方法具有潜在的意义[31]。

3.2ROS异常:有报道称ROS可驱动肿瘤的启动、转化、增殖和扩散[32]。在生理上，ROS水平升高可促进突变、原癌基因激活、肿瘤抑制因子失活、代谢刺激、自噬和信号转导途径、细胞增殖、存活，以及细胞对实体肿瘤核心不利微环境的适应。胞浆细胞周期蛋白C与DRP1的酵母同源基因Drp1和Dnm1相互作用，分别促进线粒体分裂和应激诱导的细胞凋亡。体外研究结果表明，cyclin C通过其第二个cyclin box结构域与DRP1的GTPase结构域结合[33]。然而，cyclin C作为实体肿瘤抑制因子具有促凋亡功能，缺乏cyclin C的MEF细胞对顺铂诱导的凋亡具有抗性。通过阐明细胞周期蛋白C介导的应激反应途径的机制，进一步揭示了S-HAD或H2O2处理不仅导致线粒体碎裂，还增强了线粒体Bax的募集和激活，且这一过程均以细胞周期蛋白C和线粒体ROS依赖的方式发生[34]。然而，尽管S-HAD诱导的线粒体碎裂与线粒体超氧化物的产生呈正相关，但S-HAD处理对细胞活力没有显著影响。因此，该过程涉及转化肿瘤本身、顺铂、S-HAD诱导的线粒体裂变三种氧化应激的协同作用，超过了凋亡癌细胞的杀伤阈值。因此，作者可以推测，并不是片段表型本身导致了凋亡过程的激活，而是触发最大限度的ROS产生所必需的线粒体形态的突然变化所引起。

由于细胞内ROS在肿瘤发生中的驱动作用，它不仅可以被视为致癌转化的标记物，而且可以作为靶向抗癌治疗的特异性靶标。鉴于在肿瘤中发现的不同ROS生成率，确定促氧化癌症治疗窗口，旨在将ROS水平提高到假定阈值以上，可能是杀灭癌细胞而非正常细胞的可行治疗方式。此外，内源性ROS解毒系统，经常在肿瘤中上调以逃避细胞保护机制，也被广泛认为是抗癌治疗的潜在靶点。总之，ROS是一种有效的肿瘤治疗潜在靶点。

4 小 结

由于线粒体形态学的变化与重要的细胞功能密切相关，包括那些在癌症中改变的功能，因此线粒体动力学的变化对肿瘤进展或对治疗的耐药性十分重要。有研究证实与正常细胞相比，癌症组织中线粒体质量和超微结构发生改变，包括超微结构不均一、晶体紊乱、线粒体膜改变、基质空泡、线粒体肿胀和扭曲[35]，但这些观察结果的功能含义以及对癌症治疗的重要性尚不清楚。此外，尽管对调节线粒体融合和裂变的分子机制以及它们在某些癌症类型或癌症相关情况中的作用有了更多的了解，但对操纵线粒体动力学机制的精确了解尚未用于癌症治疗。有效靶向线粒体融合或裂变进行治疗或使用线粒体形态作为癌症生物标志物的主要缺陷在于线粒体在不同类型的癌症或环境中呈现出环境依赖的特征。线粒体动力学改变被证明与癌基因介导的转化和增殖有关，因此确定线粒体形态的变化是否针对一系列癌症突变或癌细胞，这些变化是否有助于肿瘤进展，以及线粒体动力学是否可以有效地靶向治疗，有待进一步深入探究。