2023年度线粒体肿瘤标志物研究进展年终盘点

席文文 吕斌

作者单位：421001 衡阳 1.南华大学衡阳医学院基础医学院细胞生物学与遗传学教研室；2.南华大学附属第二医院医疗美容科；3.南华大学附属南华医院消化内科

线粒体是细胞能量代谢的主要场所，也是线粒体活性氧（reactive oxygen species, ROS）生成、钙离子稳态调节及细胞凋亡的核心调控部位。线粒体代谢异常与肿瘤恶性表型密切相关。PubMed 数据库上检索2023年线粒体相关肿瘤标志物研究性论文共2 926篇，其中收录于较为重要期刊（JCR Q1）的数量为829 篇，占比28.3%。研究热点话题排前三的是蛋白质质量控制、线粒体代谢紊乱和线粒体结构异常，涉及该领域论文分别为1 548篇（52.90%）、1 442篇（49.28%）、1 336 篇（45.66%）。本文就2023 年度线粒体与肿瘤发生发展进程中的肿瘤标志物研究新进展进行盘点。

1 线粒体结构与功能

线粒体具有双层膜结构，由外至内可分为线粒体外膜（mitochondrial outer membrane，OMM）、膜间隙（intermembrane space，IMS）、内膜（mitochondrial inner membrane，IMM）及基质4 个功能区。OMM 可以自由渗透小分子和离子，但IMM对大多数分子和离子都不可渗透，其存在电子传递链、ATP 合成酶、ADP/ATP 转位酶等。IMM 延伸到线粒体中央室的管状或片状结构称为嵴，它增加了内膜表面积，从而最大限度地发挥线粒体合成生物能量的功能。

2 线粒体肿瘤标志物

2.1 线粒体代谢重编程相关肿瘤标志物

线粒体是调控细胞代谢最主要的细胞器，肿瘤细胞的代谢通路如糖代谢、氧化磷酸化、谷氨酰胺和一碳代谢等均存在代谢重编程［1］。因此，研究肿瘤细胞内线粒体代谢重编程相关标志物有助于深入理解肿瘤发生中的能量变化。

肿瘤细胞在氧充足时仍以糖酵解为主要供能方式，这一特性与肿瘤细胞线粒体氧化磷酸化被抑制有关［2］。缺氧诱导因子-1α（hypoxia-inducible factor-1，HIF-1α）是这种代谢改变的主要调节因子之一，HIF-1α过表达可以维持缺氧状态下肿瘤细胞中ATP/ADP 水平［3］。2023 年有关肿瘤细胞内线粒体代谢改变的研究聚焦于糖酵解相关蛋白表达调控。XUE等［4］发现，肿瘤代谢的“逆向Warburg 效应”通过糖酵解产生L-乳酸和酮体驱动肾癌细胞中的Akt、mTOR和p70 S6激酶磷酸化以及HIF-1α/VEGFA 表达，从而为肿瘤细胞代谢提供能量。此外，肿瘤细胞中葡萄糖转运蛋白1（glucose transporter type 1，GLUT1）和葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（glucose-6-phosphate dehydrogenease，G6PD）异常表达与肿瘤细胞线粒体糖代谢异常的发生有关，也与多种肿瘤转移呈正相关［5］。

三羧酸循环中关键产物或酶的突变或失调对癌细胞增殖、转移和凋亡起着重要作用，可以作为线粒体代谢重编程肿瘤标志物。YUAN 等［6］研究发现，在肝癌细胞中，琥珀酸脱氢酶（succinate dehydrogenase，SDH）突变导致琥珀酸盐积累，SDHA/B 减少通过促进cullin1 的脱乙酰作用并抑制YAP/TAZ 蛋白酶体降解，诱导糖酵解移位，从而促进肿瘤增殖。MILLER等［7］在神经胶质瘤中发现，异柠檬酸脱氢酶（isocitrate dehydrogenase，IDH）发生致癌性突变，然后将α-酮戊二酸转化为2-羟基戊二酸（D-2-HYDROXYGHUTARATE，D-2HG），从而影响细胞正常分化，最终促进肿瘤生成。LYU 等［8］发现IDH 异源二聚体内NADPH结合位点的复发性突变以顺式或反式方式阻止稳定的酶抑制剂复合物形成，而IDH抑制剂可减少R-2HG产生，从而让急性髓系白血病患者获得临床缓解。

癌细胞中的氧化磷酸化改变可以影响肿瘤进展、侵袭和对化疗的耐药性，有效的氧化磷酸化抑制剂可诱导线粒体应激状态改变和细胞凋亡［9］。FORETZ等［10］研究发现，复合体Ⅰ在各种类型癌症中过表达，二甲双胍可抑制复合体Ⅰ形成，影响氧化还原电位依赖性ATP合成，导致肿瘤细胞内的ATP水平下降，从而抑制癌细胞增殖。TP53诱导的糖酵解和凋亡调节因子TIGAR 以及细胞色素C 氧化酶亚基2 在肿瘤细胞糖酵解和氧化磷酸化平衡的调节中也发挥重要作用。大多数肿瘤细胞存在TP53基因突变，其可能通过调控TIGAR 和SCO2 的表达影响细胞色素C 氧化酶复合体，导致线粒体呼吸作用下降，从而促进肿瘤细胞有氧糖酵解［11］。因此，靶向线粒体代谢重编程中的氧化磷酸化相关标志物可能是调控肿瘤细胞糖代谢的关键。

除糖代谢改变外，氨基酸的异常代谢如谷氨酰胺等也可以作为线粒体代谢异常标志物，其对提示肿瘤侵袭和转移具有重要意义。LIU 等［12］研究发现，在线粒体功能障碍或缺氧条件下，谷氨酰胺通过Wnt/β-catenin/TCF7轴调节三羧酸循环中间代谢产物或氧化还原稳态来促进胰腺癌细胞增殖。HU等［13］发现，溶质载体SLC25A21 与KRAS 突变型结直肠癌患者预后不良相关，SLC25A21 缺失可抑制线粒体中谷氨酰胺来源的α-酮戊二酸外排，保证KRAS 突变激活所需的GTP和肿瘤细胞生长发育能量供给，在体外和体内均可促进KRAS 突变型肿瘤细胞生长、侵袭和转移。

2.2 线粒体结构异常相关肿瘤标志物

线粒体功能的完整性依赖于结构的完整，当线粒体结构出现异常，如线粒体DNA（mitochondrial DNA,mtDNA）突变、拷贝数变化、线粒体膜稳定性以及线粒体结构动态失衡时，线粒体功能随之发生紊乱并与多种实体肿瘤的发生和发展密切相关。

2.2.1 mtDNA异常 与核DNA相比，mtDNA缺乏组蛋白保护，抗氧化机制和DNA 损伤修复系统不完善。几乎所有类型的肿瘤组织中均可检测到mtDNA 变异。MALHOTRA 等［14］研究表明，肿瘤组织或转移灶中的mtDNA 可释放到外周血循环中，检测外周血循环中的mtDNA 变异在肿瘤早期诊断、预测肿瘤进展方面有巨大的应用前景。在乳腺癌、肝癌、非小细胞肺癌等多种肿瘤组织中也存在mtDNA 序列突变，如点突变、碱基缺失或插入等。mtDNA突变所引起的能量代谢改变与小细胞肺癌发生及多药耐药有关。mtDNA 突变和拷贝数也与肿瘤细胞的转移特性、EMT、侵袭性有关，且不同肿瘤类型中mtDNA 拷贝数不同。在乳腺癌、肺癌中mtDNA 拷贝数减少，而在胆管癌、结直肠癌、胰腺癌和前列腺癌中发现mtDNA 拷贝数增加［15］。在鼻咽癌患者中，TRIM21 通过k48 连锁泛素化促进VDAC2 蛋白降解，从而抑制VDAC2 寡聚物形成，使mtDNA 拷贝数增加，进而调节cGAS/STING 胞质DNA 传感通路，最终增强鼻咽癌细胞的抗原呈递能力，这为提高鼻咽癌患者的放疗疗效提供了新的思路［16］。根据mtDNA 突变性质、mtDNA 突变比例及突变mtDNA 与细胞信号通路相互作用不同，mtDNA 突变对肿瘤的生物学影响也不同［17］。

2.2.2 线粒体膜稳定性改变 线粒体膜上含有多种载体蛋白，线粒体膜稳定性可影响肿瘤细胞凋亡及肿瘤进程。在乳腺癌细胞中，IRG1 过表达可导致糖酵解中间水平、三羧酸循环和脂质代谢降低，破坏线粒体膜蛋白稳态，表现出肿瘤细胞的抗凋亡特性甚至化疗药物抵抗［18］。Bcl-2 家族蛋白可通过维持电压依赖性阴离子通道蛋白（voltage-dependent anion selective channel，VDAC）的开放状态影响线粒体外膜的稳定性，从而抑制细胞凋亡［19］。线粒体结构可控制T细胞代谢，而线粒体膜稳定性变化通过增强T 细胞识别破坏肿瘤细胞和调节免疫细胞新陈代谢［20］。

2.2.3 线粒体动力学失衡 线粒体动力学包括线粒体分裂与融合，其失衡表现为分裂过程增强和（或）融合过程减弱［21］。分裂与融合相关蛋白改变可提示细胞发生恶性转化，如在胃癌、前列腺癌等肿瘤中均发现分裂相关蛋白表达升高，融合相关蛋白表达降低［22-23］。PARIDA 等［24］报道，乳腺癌脑转移组织中动力相关蛋白1（dynamin-relatedprotein 1，DRP1）表达显著上调，耗尽富集的Drp1 蛋白可限制晚期肿瘤细胞的线粒体可塑性，导致肿瘤细胞内脂滴积累增加、代谢受损，且乳腺癌脑组织转移能力减弱。BHADANE 等［25］在三阴性乳腺癌中发现，NADPH 氧化酶4（NADPH oxidase 4，NOX4）通过PGC1α/Drp1轴抑制Drp1 介导的线粒体分裂，导致线粒体质量失衡和形态延长，而沉默NOX4 可增加线粒体ROS 水平，线粒体分裂抑制剂可逆转NOX4 依赖的线粒体动力学改变和细胞迁移。

线粒体融合蛋白（mitochondrial fusion protein，MFN）和视神经萎缩蛋白1（optic atrophy 1，OPA1）功能改变会导致线粒体融合减少。在肝癌细胞中，线粒体蛋白FUN14 结构域（FUNDC2）与MFN1 相互作用可抑制MFN1 介导的线粒体融合，致使肿瘤细胞内线粒体形态延长及代谢重编程，从而促进肿瘤生长［26］。与MFN1 相比，MFN2 表达与多种肿瘤预后呈正相关。WANG等［27］发现，在肺癌组织中，L-OPA1蛋白表达水平升高，T 细胞免疫球蛋白和黏蛋白结构域分子-4（T cell immunoglobulin and mucin domain-4，TIM-4）通过增强L-OPA1蛋白表达促进线粒体融合，TIM-4也通过PI3K/AKT 通路调控L-OPA1 蛋白并与ANXA2 相互作用，促进PI3K/AKT 信号通路激活，从而促进肺癌细胞氧化磷酸化，进而加速肿瘤进展。探索调控线粒体分裂与融合相关蛋白表达靶向干预肿瘤发生发展进程的作用机制也是2023 年线粒体肿瘤标志物研究的一大热点话题。

2.3 线粒体质量控制失调相关肿瘤标志物

线粒体质量控制是2023 年度线粒体肿瘤标志物最热门的研究领域，主要包括线粒体蛋白酶及其相关调控机制。线粒体质量控制失调可以作为监测肿瘤发生发展的标志。

线粒体蛋白酶支持的蛋白质质量控制是防止线粒体损伤的第一步，主要包括ATP 依赖性LONP1 和ClpP蛋白酶等。与正常组织相比，LONP1上调是许多癌症样本的共同特征。在弥漫性星形细胞瘤中，LONP1驱动NRF2 和前叶间质转化，这种效应与IDH 突变相互协作，以适应应激和肿瘤微环境，因此靶向LONP1可能是改善IDH 突变型弥漫性星形细胞瘤标准治疗的有效策略［28］。HERTWECK 等［29］在非小细胞肺癌中发现，LONP1作为水解酶确保了线粒体蛋白质质量控制平衡，进一步重编程线粒体动力学、氧化生物能量学和维持癌细胞的氧化还原稳态，最终改变肿瘤细胞的增殖和生长。在TDP-43蛋白相关疾病中，FUNDC1通过增加LONP1 水平和激活线粒体自噬来调节线粒体介导的TDP-43降解，从而清除胞质中的TDP-43，平衡线粒体蛋白稳态和蛋白质降解诱导的线粒体损伤，这可能为治疗TDP-43蛋白病变提供新的治疗策略［30］。

ClpP在白血病、胃癌、结肠癌、胰腺癌、卵巢癌、乳腺癌、骨髓瘤和子宫内膜癌中过表达［31］。FENNELL等［32］研究表明，ClpP 相互作用的网络涉及呼吸链蛋白组学、转录组学和代谢组学。在乳腺癌中，ClpP 通过调节Src/PI3K/Akt 信号通路干扰细胞增殖、迁移和凋亡［33］。ClpP 激活剂可破坏乳腺癌细胞内血红素生物合成和瓜氨酸/尿素循环等，影响肿瘤细胞正常增殖和代谢过程［33］。ZHOU 等［34］发现ClpP 作用于线粒体电子传递链，可影响肿瘤细胞氧化磷酸化和ATP 产生，应用ClpP 激活剂ZK53可激活共济失调-毛细血管扩张突变介导的DNA 损伤反应，最终触发肿瘤细胞周期阻滞，从而达到治疗肺鳞状细胞癌的目的。因此，通过对LONP1、ClpP靶向线粒体蛋白酶平衡网络的干预可能是癌症治疗的潜在策略。

线粒体自噬是肿瘤细胞消除受损线粒体，控制ROS 产生和减少细胞凋亡而存活的关键适应性效应。线粒体自噬主要受Atg、BNIP3、Parkin 等多种蛋白调控［35］。在肿瘤早期，线粒体自噬有助于维持正常代谢、防止细胞应激和基因组损伤，可抑制肿瘤发展；在肿瘤晚期，增强线粒体自噬会提高细胞对低氧、营养缺乏的耐受，以及促进肿瘤治疗抵抗等。线粒体自噬主要由PINK1/Parkin 信号通路激活线粒体膜的去极化实现。LI等［36］研究表明，PINK1介导的线粒体自噬由于MAPK信号通路抑制导致Myc依赖性PINK1转录上调，从而激活有丝分裂，进而诱导产生持久性的耐药癌细胞。CAO 等［37］发现，线粒体自噬能通过HIF-1α作用于BCL-2 以及BNIP3 和BNIP3 类似物（BNIP3L/NIX）实现，其中BNIP3 和NIX 已在多个肿瘤模型中被确定为抑癌因子。以上研究说明，深入研究线粒体自噬可能为恶性肿瘤治疗提供新思路。

肿瘤细胞的恶性表型与其抗调亡特性有关，多种肿瘤细胞中可见凋亡相关蛋白BCL-2高表达。WU 等［38］发现，胃癌细胞中BCL-2 表达增加可抑制肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体（TNF-related apoptosis-inducing ligand，TRAIL）诱导的细胞凋亡，而凋亡促进因子Bax和Bak 能激活Bax/Bcl-2/caspase3 信号通路导致线粒体功能损伤，从而促进肿瘤细胞凋亡。线粒体凋亡不仅与肿瘤恶性表型相关，而且与肿瘤治疗的耐药性关系密切。目前，大多抗癌药物通过诱导肿瘤细胞凋亡发挥抗癌效应。细胞凋亡异常如BCL-2 过表达、p53 失活，以及通过干扰Nrf2/NF-κB 信号通路等抑制细胞调亡都可使肿瘤细胞对抗癌药物产生耐药性［39］。因此，抗凋亡和促凋亡蛋白表达水平的动态平衡有望作为新的预测肿瘤化疗敏感性的标志物。

3 靶向线粒体与肿瘤药物治疗进展

探究以线粒体为靶点的抗肿瘤药物作用机制是2023年度线粒体生物学领域的热点话题，可分为靶向线粒体代谢、靶向线粒体结构异常、靶向线粒体蛋白药物等三类。目前，已有一些靶向线粒体代谢的抗肿瘤药物正在临床或临床前开发。如在食管癌中，磺胺康唑通过触发线粒体氧化应激并抑制糖酵解促进多种类型的程序性细胞死亡（如细胞凋亡、焦亡、坏死和铁死亡），从而抑制食管癌细胞增殖和迁移［40］。SHEN 等［41］研究表明，褪黑素可通过抑制肿瘤细胞糖酵解过程从而抑制膀胱癌生长，通过添加外源性丙酮酸模拟增强糖酵解作用可以诱导吉西他滨耐药；褪黑素治疗或沉默糖酵解酶ENO1 可以增强吉西他滨对膀胱癌细胞的细胞毒性作用。

靶向线粒体结构如纠正mtDNA 突变是修复线粒体功能从而调控肿瘤发生和发展进程的有效策略。LI等［42］设计了一种突变诱导药物释放系统（MIDRS），通过利用Cas12a 的单核苷酸变异（single nucleotide variants，SNV）识别能力和反式切割活性，将肿瘤特异性mtDNA 突变转化为细胞内药物释放的调控开关，可实现对肿瘤细胞的精准杀伤。这一策略有望成为突变特异性的个性化肿瘤治疗新方法。

靶向线粒体蛋白在癌症治疗中是一个很有前景的方向。如Raddeanin A 是一种有效的免疫原性细胞死亡诱导剂，可以直接结合TDP-43 并诱导TDP-43 定位于mtDNA，导致核因子κB（nuclear factor κB，NF-κB）和IFN-α 信号上调，从而增强树突状细胞介导的抗原交叉呈递和T 细胞活化，进而抑制肿瘤生长［43］。ClpP活性激活或抑制能损害癌细胞的氧化磷酸化并诱导细胞凋亡。ONC201 是ClpP 激活剂，在H3K27M 突变型弥漫性中线胶质瘤中，ClpP激活可导致线粒体蛋白降解，呼吸复合物活性降低，破坏细胞表观遗传途径并逆转H3K27ME3的病理性减少，从而发挥抗肿瘤作用［44］。CDDO（2-氰基-3，12-二氧齐墩果烷-1，9（11）-二烯-28-酸）及其衍生物CDDO-Me 可以在体外阻断LONP1 蛋白酶活性，并显示出有效的抗肿瘤活性。ZHANG 等［45］报道了生物素化的CDDO 探针与LONP1在B淋巴细胞瘤中形成偶联物，抑制了LONP1蛋白酶的活性，淋巴瘤细胞线粒体基质内可见电子聚集体积累和肿瘤细胞凋亡，而CDDO 诱导的淋巴瘤细胞死亡机制可能是通过抑制LONP1蛋白酶活性实现，这进一步支持了LONP1蛋白酶是一种新的抗癌药物靶点。

4 小结与展望

肿瘤的发生和发展是一个多信号网络交错调控的复杂过程，线粒体在肿瘤细胞的代谢重编程、增殖迁移及凋亡等多种进程中发挥重要作用。2023 年度的大量科学研究结果表明线粒体相关肿瘤标志物失调可以提示肿瘤发生、发展进程及预后。但是，更确切的作用机制仍有待继续探索，如线粒体肿瘤标志物失调与肿瘤发生发展何为因果？在肿瘤诊断及药物治疗靶点筛选方面如何把控线粒体肿瘤标志物的特异性和精准度？与传统肿瘤标志物相比，线粒体肿瘤标志物在肿瘤风险预测、癌前病变筛查、临床靶向治疗、预后评估及肿瘤复发监测等方面有何优势？总之，随着科研工作者们的深入研究，以线粒体肿瘤标志物为核心的肿瘤综合诊治策略会迎来新的曙光，而要实现这一目标，还需要进行大量系统的临床前研究和临床研究。