线粒体逆行信号在肿瘤进展中的研究现状

许小君 廖达文 王星琛 魏元元 黄启超 杜钰璐

作者单位：712046 咸阳1陕西中医药大学第二临床医学院；710032 西安2空军军医大学基础医学院生理与病理生理学教研室

线粒体是细胞内能量代谢的主要场所，并通过三羧酸（tricarboxylic acid，TCA）以及氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHOS）生成三磷酸腺苷（adenosine 5'-triphosphate，ATP），为细胞各种生命活动提供能量。尽管线粒体蛋白质由细胞核基因组编码，但电子传递链（electron transport chain，ETC）的13 个亚单位仍由线粒体DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）编码。因此，线粒体OXPHOS 复合体的表达、翻译和组装需要线粒体与细胞核之间持续进行信息交流，进而确保线粒体发挥正常生理功能［1-2］。线粒体与细胞核间的信息交流，一方面取决于核基因编码线粒体蛋白调控线粒体功能（正向信号）；另一方面线粒体可通过细胞内信号分子，例如Ca2+、mtDNA、活性氧（reactive oxygen species，ROS）、TCA循环代谢物（如2-羟基戊二酸）等将线粒体异常以及细胞代谢变化信号呈递给细胞核（逆行信号），细胞核通过动员一系列核转录因子引起重要信号通路的激活、进而促进线粒体转录及线粒体生物合成等过程［3-4］。

在肿瘤发生过程中，ROS生成显著增加、mtDNA 突变大量累积等都可导致线粒体OXPHOS功能被抑制，进而扰乱线粒体与细胞核间的交流，引发基因表达模式的改变及肿瘤恶性进展［5］。在能量缺乏、ROS 大量产生情况下，线粒体可向细胞核传递信号，引发转录重编程以进行代谢适应［1］。线粒体和细胞核之间的通信为细胞提供了一个动态的调控网络，使细胞能够对不断变化的代谢条件或压力作出响应。本综述主要讨论线粒体代谢产物和压力信号如何通过表观遗传改变调控肿瘤的进展，为进一步理解线粒体功能的复杂维度及其参与疾病发生发展的机制提供新视角。

1 线粒体代谢中间产物通过表观修饰调控肿瘤发生发展

线粒体TCA 循环代谢中间产物2-羟基戊二酸（2-hydroxyglutarate，2-HG）、琥珀酸以及富马酸［6］等可作为底物，通过介导表观遗传学修饰推动肿瘤的发生和恶性进展。

1.1 2-HG 异常增多介导的DNA 或组蛋白超甲基化调控肿瘤进展

异柠檬酸脱氢酶1 和2（isocitrate dehydrogenase 1 and 2，IDH1和IDH2）是人类肿瘤中常见的突变基因，多存在于胶质瘤、急性髓细胞性白血病（acute myelogenous leukemias，AMLs）和骨髓增生异常综合征（myelodysplastic syndromes，MDS）［7］。突变型IDH 将TCA循环中间产物α-酮戊二酸（α-ketoglutarate，α-KG）还原成2-HG［8-9］，后者与α-KG 结构相似，因此能作为α-KG 的竞争性抑制物。有研究表明α-KG 可作为组蛋白赖氨酸去甲基酶（JMJD/JHDM）［7］和DNA去甲基酶TET［10］的底物。因此，作为α-KG 类似物，2-HG 会引起DNA 及组蛋白的高甲基化，广泛参与基因的表达调控，促进肿瘤进展［9，11］（图1）。例如，2023 年RAHME 等［12］研究表明，IDH1 和IDH2突变胶质瘤中积累的2-HG 可竞争性抑制去甲基化酶与α-KG 结合，导致DNA 抑癌基因CDKN2A启动子和致癌基因PDGFRA附近的绝缘子结合蛋白（CCCTC binding factor，CTCF）高甲基化后失活，最终驱动体内胶质瘤发生；2020 年SULKOWSKI 等［13］报道，2-HG、延胡索酸水合酶（fumarate hydratase，FH）、琥珀酸脱氢酶（succinate dehydrogenase，SDH）等代谢物的积累可通过抑制组蛋白去甲基化酶KDM4B 的活性，造成基因组广泛H3K9me3 高甲基化，从而使DNA 同源重组修复（homology directed repair，HDR）关键分子TIP60 和ATM 及下游修复因子RPA、BRCA1、RAD51 等在DNA 断裂位点富集减少，使DNA 累积突变增加，进而增加神经胶质瘤对多聚ADP 核糖聚合酶（poly-ADP-ribose polymerase，PARP）抑制剂的敏感。

图1 线粒体代谢调控核基因表达示意图Fig.1 Schematic diagram of mitochondrial metabolites regulating nuclear gene expression through epigenetic modification

1.2 琥珀酸异常累积介导的超甲基或琥珀酰化修饰促进肿瘤进展

近年来，琥珀酸在肿瘤生物学中的作用引起了科研人员的广泛关注，主要原因在于SDH 的失活突变在遗传性平滑肌瘤［14-15］、肾细胞癌［16］、胃肠道间质瘤［17］等多种肿瘤中被检测到，而且此种突变可导致肿瘤细胞内琥珀酸的堆积。与2-HG 类似，琥珀酸也可通过与α-KG 竞争，抑制α-KG 依赖的酶活性，从而诱导肿瘤细胞的超甲基化表型（图1）。例如，2019 年FLAVAHAN 等［18］报道，SDH 缺陷型胃肠道间质瘤中DNA 甲基化异常增强，破坏致癌基因FGF3、FGF4与周围DNA 结合绝缘体蛋白CTCF 的结合，从而导致上述致癌基因高表达，最终促进胃肠道间质瘤生长。2021 年AGGARWAL 等［19］发现，在肾透明细胞癌中由于泛素连接酶Von Hippel-Lindau（VHL）蛋白缺失，缺氧诱导因子（hypoxia-inducible factor-α，HIF-α）降解减少，其下游基因miR-210 表达上调而使其靶标蛋白SDH 表达降低，琥珀酸堆积加速，从而抑制TET2 活性，促进DNA 甲基化的发生，进而显著增强了肾透明细胞癌的侵袭能力。

此外，琥珀酸的累积还参与蛋白翻译后修饰过程，即赖氨酸残基的琥珀酰化修饰。蛋白的琥珀酰化修饰广泛存在于细胞质和细胞核蛋白（如组蛋白）中。浙江大学吕志民教授团队研究发现，组蛋白H3K79 位点的琥珀酰化参与多个肿瘤生长相关信号分子的转录并促进肿瘤生长［20］。该研究表明α-酮戊二酸脱氢酶（α-ketoglutarate Dehydrogenase，α-KGDH）与组蛋白乙酰转移酶（lysine acetyltransferase 2A，KAT2A）结合后，发挥琥珀酰转移酶的功能，可通过琥珀酰化组蛋白H3K79 促进神经胶质瘤生长［20］。2020 年南开大学张晓东教授课题组报道了一个新的琥珀酰转移酶--组蛋白乙酰转移酶1（histone acetyltransferase1，HAT1），其可通过对组蛋白H3K122位点和糖酵解关键酶PGAM1 K99位点的琥珀酰化修饰，促进糖酵解和肝癌细胞的生长［21］。

1.3 延胡索酸异常增多可通过促进组蛋白超甲基化促进肿瘤生长

FH 是参与TCA 循环的一个关键酶，在细胞内能催化延胡索酸（fumarate）转变成L-苹果酸（malate）。既往研究表明在遗传性平滑肌瘤、肾细胞癌［22］等多种肿瘤组织中发生FH 失活性突变，导致延胡索酸异常积累并促进肿瘤进展。2015 年，JIANG 等［23］研究指出，延胡索酸酶的酶活性及其产物延胡索酸是DNA 损伤反应的关键元件，延胡索酸酶缺陷可通过延胡索酸积累增多而降低组蛋白去甲基化酶KDM2B活性，导致组蛋白H3K36me2 增强，进而增加非同源末端连接DNA 修复和肿瘤细胞存活。2017 年，该团队又发现在葡萄糖缺乏时，AMP 依赖的蛋白激酶（adenosine 5'-monophosphate-activated protein kinase，AMPK）能磷酸化FH，导致后者在负责生长停滞的转录因子ATF2基因启动子区富集，局部高浓度延胡索酸可通过抑制去甲基化酶KDM2A 活性，导致H3K36me2 甲基化增强，进而促进ATF2 靶向转录，导致细胞生长停滞，这种反应可被FH 磷酸化位点的糖基化抑制［21］。在高水平表达N-乙酰氨基葡萄糖转移酶的胰腺癌细胞中，葡萄糖缺失时可通过维持高浓度的FH 糖基化，进而抑制FH-ATF2 信号通路导致的细胞周期阻滞，维持肿瘤细胞生长［24］。

2 核定位线粒体代谢酶通过表观修饰促进肿瘤发展

线粒体代谢中间产物可作为蛋白翻译后修饰的重要底物，该结论已受到广泛认可。最近有研究表明，部分线粒体TCA 关键酶在恶性肿瘤细胞中可从线粒体转运到细胞核而促进组蛋白修饰［25-26］，进而将细胞代谢与基因转录调控直接联系起来。例如乙酰化是细胞内蛋白翻译后修饰的主要方式之一。由线粒体丙酮酸脱氢酶产生的乙酰辅酶A（Acetyl CoA）是TCA 循环的重要代谢中间产物。同时，Acetyl CoA 也是蛋白乙酰化的主要底物，可在组蛋白乙酰转移酶（histone acetyltransferase，HATs）催化下介导组蛋白乙酰化，从而调控基因表达（图1）。最近有研究发现致癌基因KRAS和AKT的表达增多可促进线粒体内的丙酮酸脱氢酶转位到细胞核，并与HATs 形成复合物，从而使组蛋白乙酰化［27-28］。而组蛋白的乙酰化常导致DNA 与组蛋白八聚体解离，核小体结构松弛和基因的表达，进而促进肿瘤发生［29］。

3 线粒体ROS 促进肿瘤发生、浸润和转移

ROS 是细胞代谢重要产物之一，包括超氧阴离子（O2-）、过氧化氢（H2O2）和羟基自由基（OH-）等［30-31］。90%的ROS 由线粒体电子传递链传递电子时向O2直接泄露高能电子产生［32］。由于O2-的强反应活性，极易造成细胞氧化损伤，因此一旦产生会迅速被细胞内超氧化物歧化酶（super oxide dismutase，SOD）转化为H2O2［30］，而后再被过氧化物酶还原为H2O（图2）。

图2 线粒体ROS的产生及其作为逆行信号调控核内基因表达机制图Fig.2 The production of mROS and its mechanism as a retrograde signal to regulate gene expression in the nucleus

ROS 与肿瘤的发生、浸润和转移关系密切。组织损伤、细胞死亡及病原感染引发炎症迁延不愈、肿瘤中浸润的巨噬细胞释放NADPH 氧化酶增多、肿瘤细胞中存在的缺氧环境等［33］均可使细胞氧化还原平衡失调，导致线粒体产生ROS 及中间体增多，进而激活多种信号通路促进肿瘤发生和进展。例如，在正常生理条件下，KEAP1 可与抗氧化蛋白NRF2 结合并通过泛素-蛋白酶体途径降解后者，当ROS 水平升高时，NRF2与KEAP1解离并易位至细胞核内，与Smaf蛋白以及ARE（抗氧化反应元件）结合形成异二聚体，从而启动下游细胞抗氧化基因的转录（图2）。2020年，Karen H Vousden 团队研究指出，胰腺导管腺癌中NRF2 的负调节因子KEAP1 突变和NRF2 的功能获得性突变皆会导致NRF2 失活，从而下调抗氧化基因TIGAR的表达，使细胞抗氧化作用减弱，ROS 持续增多而激活MAPK 通路，进而促进肿瘤转移［5］。在非小细胞肺癌细胞中，线粒体内产生的过量ROS可激活肿瘤细胞和肿瘤相关成纤维细胞分泌促瘤细胞因子IL-6，进一步激活STAT3 通路，然后通过改变E-钙黏蛋白、N-钙黏蛋白、波形蛋白和Snail 等细胞迁移相关蛋白的表达，促进肿瘤转移［34］。此外，肿瘤细胞缺氧，有限的氧分子充当电子传递链中的终电子受体，使线粒体ROS 产生增多，进而进入细胞核稳定HIF-1α 亚单位，并与HIF-1β 形成二聚体，驱动缺氧应答相关基因（如促血管生成因子）表达，增加肿瘤血管生成，进一步促进肿瘤存活与增殖［35］（图2）。

4 mtDNA-cGAS-STING 通路可作为逆行信号促进肿瘤细胞增殖

细胞质中环鸟苷酸合酶（cyclic GMP-AMP Synthase，cGAS）可识别外源DNA 并催化产生环鸟苷酸（cyclic-GMP-AMP，cGAMP），随后cGAMP 会通过活化转录因子（stimulator of interferon genes，STING）诱导干扰素的表达，引发细胞的免疫反应［36］（图3）。由于mtDNA的原核属性，当其由线粒体释放至细胞浆时同样会激活cGAS-STING信号通路。

图3 mtDNA激活cGAS-STING 信号通路促进抗肿瘤免疫机制图Fig.3 Mechanism diagram of promoting anti-tumor immunity by mtDNA- cGAS-STING pathway

当肿瘤细胞应激时，如线粒体损伤、缺氧、炎症等都可导致肿瘤细胞内mtDNA的释放［37-38］。激活的cGASSTING信号通路可以诱导肿瘤细胞产生大量的转录因子IFN调节因子3（interferon regulatory factor 3，IRF3）、核因子NF-κB和干扰素-β（interferon-β，INF-β），进而激活细胞免疫，促进对肿瘤细胞的免疫识别和杀伤［39］（图3）。但也有研究表明，在肿瘤细胞中mtDNA的释放以及cGASSTING 信号通路的激活与肿瘤进展密切相关［40-42］。2022年，KIRTONIA 等［33］研究显示在食管鳞状细胞癌中线粒体分裂关键蛋白Drp1上调，可诱导线粒体功能障碍并诱导mtDNA释放，激活cGAS-STING通路，促进肿瘤细胞增殖；2017年，SANSONE 等［43］研究表明在内分泌治疗后的乳腺癌细胞中，细胞外小泡可携带癌旁组织中的mtDNA 至肿瘤干细胞，激活cGAS-STING 信号通路，使肿瘤干细胞脱离休眠状态，导致内分泌治疗失败。

5 小结

综上所述，线粒体-细胞核逆行信号在肿瘤细胞内的重要通信机制有以下方面：第一，通过表观遗传修饰，线粒体代谢中间产物（如SDH、FH）和核定位线粒体代谢酶（如PDH）促进肿瘤进展。第二，过量积累的ROS 可以推动肿瘤细胞的增殖和侵袭。第三，mtDNA的释放和识别激活cGAS-STING 信号通路促进肿瘤进展。这些机制均通过线粒体释放的信号分子调控细胞核的基因表达和功能，从而促进肿瘤的恶性进展。深入研究线粒体-细胞核逆行信号的机制和调控网络对理解细胞内信号传递和肿瘤进展的机制具有重要意义，也有助于探索新的肿瘤预防和治疗策略。