線粒體基因結構及功能缺陷與腫瘤的關系研究進展

姜 軍，格日力

(1青海大學高原醫學研究中心，西寧810001;2青海大學附屬醫院)

目前惡性腫瘤已成為導致人類死亡的主要病因之一。WHO公布數據顯示，2008年全球新增腫瘤患者1 270萬，因腫瘤致死人數約760萬，占總死亡人數的13%［1］。腫瘤的形成與發展涉及諸多機制，近年的研究發現線粒體基因(mtDNA)的結構及功能缺陷與腫瘤有明顯相關性，被認為是腫瘤形成和發展的重要原因之一。現將相關研究進展情況綜述如下。

1 mtDNA的結構及功能

線粒體含有獨立于核基因外的遺傳物質，在新陳代謝和生物能量轉換中處于中心地位。與核基因相比，mtDNA具有半自主性，即能夠獨立復制、轉錄和翻譯。人類mtDNA是16 569 bp的雙鏈共價閉合環狀分子，兩條互補鏈的堿基組分不同，外鏈富含嘌呤(A和G)，稱為重鏈，內鏈富含嘧啶(C和T)，稱為輕鏈。mtDNA包括13個編碼線粒體呼吸鏈酶復合物結構亞基的基因、2個rRNA基因、22個線粒體tRNA基因和D-環。D-環是負責調控mtDNA復制、轉錄的非編碼區，含有mtDNA重鏈復制的起點和輕、重鏈的轉錄啟動子以及4個高度保守序列。mtDNA主要在細胞周期的S期及G2期復制合成，線粒體DNA聚合酶、DNA解旋酶和線粒體單鏈DNA綁定蛋白是參與mtDNA復制的重要蛋白［2］。mtDNA復制時還需線粒體RNA聚合酶(POLRMT)先在線粒體基因復制起始區形成莖環樣結構的復制啟動引物［3］。參與mtDNA轉錄的蛋白主要有線粒體RNA聚合酶、線粒體轉錄因子A(mtTFA)和線粒體轉錄因子B2(TFB2M)［2］。mtTFA是線粒體轉錄的關鍵激活子，可以改變線粒體D-環區內的輕鏈啟動子結構，使POLRMT能夠識別并與啟動子上的序列元件結合，促進mtDNA轉錄［3］。細菌和真核生物中線粒體轉錄因子B1(TFB1M)和TFB2M有高度的保守性。TFB2M是mtDNA轉錄時POLRMT的作用位點［4］。TFB1M是重要的rRNA甲基轉移酶，對維持線粒體核糖體蛋白的穩定有重要作用［5］。線粒體產生能量的同時也產生自由基，因mtDNA無組蛋白的保護，而且修復能力有限，mtDNA易受損傷發生突變，并可在體細胞中累積。這可能也是腫瘤形成和進展的病理生理基礎之一。

2 mtDNA突變與腫瘤的關系

結直腸癌組織中可檢測到mtDNA的大片段缺失［6］，腎細胞癌組織中存在mtDNA的小片段缺失突變［7］，13%的惡性膠質瘤和63%的直腸腺癌組織存在mtDNA突變［8］。提示多種mtDNA致病性突變可能在腫瘤早期形成中發揮作用。Ishikawa等［9］研究證實mtDNA突變促進腫瘤細胞的轉移。呼吸鏈是細胞活性氧產生的主要場所，編碼線粒體呼吸鏈的mtDNA突變可導致活性氧產生增加，線粒體功能障礙，是腫瘤形成和轉移的重要病理基礎［10］。推測不同的mtDNA突變對不同腫瘤的形成可能具有一定的特異效應。

在不同腫瘤細胞中已發現編碼呼吸鏈復合物Ⅰ亞基的ND5、ND4L、ND1基因及編碼復合物Ⅲ亞基的CYTb基因和編碼復合物Ⅳ亞基的COXⅠ、COXⅡ、COXⅢ基因突變，并且細胞氧化磷酸化功能存在不同程度的障礙。Pelicano等［11］認為，腫瘤細胞呼吸功能缺陷時，NADH增高抑制了磷酸酶基因(PTEN)活性，激活蛋白激酶B，細胞糖酵解增加，利于腫瘤生成。mtDNA突變和線粒體呼吸功能障礙有助于腫瘤細胞的生成，這在攜帶ND5基因突變的線粒體雜交細胞系中也得到證實［12］。攜帶ND5基因雜合突變細胞線粒體O-2增加，但由于抗氧化酶超氧化物歧化酶(SOD)1的高表達，細胞內H2O2水平正常，但含有ND5基因純合突變的細胞系SOD2和H2O2同時增高，產生ATP的能力下降，細胞呈現凋亡趨勢［13］。提示腫瘤細胞表型受mtDNA突變異質性的影響。攜帶ND5基因雜合突變的細胞明顯促進腫瘤細胞的形成，而純合突變降低腫瘤的形成。因此認為腫瘤細胞在形成的前期階段mtDNA是一種功能性的改變，因組織的損害和線粒體修復能力有限，mtDNA突變發生概率大大增加，隨著突變mtDNA積累到一定閾值，加之腫瘤細胞產生的活性氧增多或基因的不穩定性增加，促進腫瘤細胞的生長，阻止細胞衰老和凋亡。

3 mtDNA拷貝數與腫瘤的關系

因組織器官的不同每個哺乳動物細胞含有數百至上千個拷貝的mtDNA。mtDNA拷貝數受細胞生理狀態的調節，細胞內外環境發生改變時，如缺氧、固醇類激素刺激等，mtDNA拷貝數也隨之改變。結直腸癌［6］、急性淋巴細胞白血病［12］組織中 mtDNA拷貝數升高，而在乳腺癌［14］、纖維板層癌［15］等組織中mtDNA拷貝數降低。乳腺癌患者mtDNA拷貝數與其發病年齡、腫瘤高分化和陰性黃體酮受體有明顯相關性，mtDNA拷貝數降低者存活率低［14］。但腫瘤組織中的mtDNA拷貝數受復雜的機制調控，不是單純以細胞畸形繁殖能解釋的。

腫瘤組織中mtDNA拷貝數的變化與p53介導的信號通路相關。Vivekanandan等［15］發現 p53降低至正常50%以下時，可提高mtDNA對氧化應激的敏感性，活性氧增加。乳腺癌組織中有POLG基因突變時mtDNA拷貝數也降低，說明乳腺癌組織中mtDNA拷貝數減少部分是由于POLG基因缺陷導致的［16］。其他與線粒體生物合成相關的因子，如線粒體單鏈DNA綁定蛋白(mtSSB)、過氧化物酶活性增殖受體γ共激活因子1α(PGC-1α)，均是核基因編碼，這些因子的mRNA表達變化與mtDNA數目的減少及細胞的狀態有相關性［17］。因此可認為mtDNA拷貝數的降低是mtDNA和核基因共同作用的結果。

4 mtDNA檢測在腫瘤診治中的作用

研究［7，11］發現，腫瘤細胞攜帶突變的 mtDNA，mtDNA的突變可能出現在腫瘤的早期階段或癌前病變期。Jones等［18］發現，在腫瘤細胞占30%甚至更少的組織中可以檢測出mtDNA突變，但不能檢測出已知的核基因突變，因此認為mtDNA可作為腫瘤細胞檢測的指標。在mtDNA拷貝數增高的喉癌HEp2細胞可抵抗多烯紫杉醇誘導的細胞死亡，主要是通過加強ATP酶活性和降低活性氧的生成起作用［19］。mtDNA拷貝數高的乳腺癌MDA-MB-231細胞對阿霉素治療的敏感性降低，和mtDNA拷貝數低的細胞相比活性氧產生減少。根據這些結果，推測mtDNA數目的改變對腫瘤細胞的抗藥性有一定的積極作用，可作為預測腫瘤對化療藥物反應性的一種生物標記。

有學者［20］提出將線粒體作為抗腫瘤治療的靶標，并將通過作用線粒體的不同代謝和氧化磷酸化環節誘導腫瘤細胞凋亡而達到抗腫瘤的一類藥物稱為Mitocan，根據作用模式和部位的不同將Mitocan分為7類:①己糖激酶靶向藥物:2-脫氧葡萄糖和3-溴代丙酮酸。2-脫氧葡萄糖抑制糖酵解，消耗ATP，并抑制干擾腫瘤細胞糖基化。②Bcl-2蛋白靶向藥物:Bcl-2同源蛋白3(BH3)類似物、ABT-737和生育酚丁二酸酯(α-TOS)，其干擾抗凋亡蛋白Bcl-2、Bcl-xL，或干擾 Mcl-1與凋亡前體蛋白結合。③硫醇氧化還原靶向藥物:三氧化二砷和異硫氰酸鹽。相對于正常細胞，腫瘤細胞處于較高水平的活性氧狀態，對增強細胞氧化應激的藥物更敏感。④線粒體滲透性轉換孔道復合體(PTPC)靶向藥物:氯尼達明和CD437。可通過下調位于線粒體內膜和外膜上的腺苷酸轉運蛋白(ANT)和電壓依賴離子通道(VDAC)誘導細胞凋亡。這兩種蛋白是滲透性轉換孔道復合體的主要組成成分。⑤電子傳遞鏈靶向藥物:電子傳遞鏈復合物Ⅰ的阻滯劑有魚藤酮、粉蝶毒素;抑制復合物Ⅱ的α-TOS和維生素E琥珀酸酯;抑制復合物Ⅲ的抗霉素A和白藜蘆醇;抑制復合物Ⅳ的一氧化氮;抑制復合物Ⅴ的寡霉素和白皮杉醇等。電子傳遞鏈阻滯劑可提高細胞的氧化應激狀態，增加電子漏的形成，產生氧自由基，增加細胞毒性，促進腫瘤細胞凋亡。呼吸鏈復合物Ⅱ抑制劑α-TOS升高細胞內活性氧，通過Mst1/Hippo-FoxO1-NOXA信號轉導途徑誘導細胞凋亡。⑥三羧酸循環的靶向藥物:丙酮酸脫氫酶抑制劑二氯乙酸(DCA)。DCA使較多丙酮酸進入三羧酸循環，糖無氧酵解到有氧氧化轉化增多，消耗跨膜電位，激活鉀離子通道，增加活性氧的產生，誘導細胞凋亡。⑦mtDNA靶向藥物:甲萘醌通過抑制mtDNA聚合酶γ活性，降低mtDNA復制，使腫瘤細胞凋亡。這種通過升高腫瘤細胞的活性氧超出耐受閾值誘導細胞凋亡的途徑為開發新的抗腫瘤藥物提供了生化依據。

綜上所述，mtDNA結構及功能缺陷，尤其mtDNA突變，在人類腫瘤的形成和發展過程中起著重要作用。但有關線粒體功能障礙與腫瘤早期診斷、臨床病理及預后的關系尚有待深入研究。期望在判斷腫瘤高危人群、篩查癌前病變、跟蹤腫瘤進展、指導臨床治療及判斷腫瘤復發和預后等方面尋找到特征性線粒體生物標記。

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