線粒體氧化應激與腫瘤的研究進展

韓曉丹，黃國錦,2(通信作者*)

（1.桂林醫學院附屬醫院呼吸疾病實驗室，廣西 桂林 541000；2. 桂林醫學院廣西肝損傷與修復分子醫學重點實驗室，廣西 桂林 541000；）

0 引言

在正常的生理情況下，細胞主要依靠葡萄糖進入細胞后通過有氧氧化和無氧酵解產生ATP 來供能[1,2]。有氧氧化是在有氧條件下葡萄糖分解并產生乙酰輔酶A，通過線粒體呼吸鏈反應，產生大量ATP 達到供能目的，是細胞最主要的功能形式。而無氧氧化則是葡萄糖直接在無氧氣參與的情況下轉化為乳酸，僅釋放極少能量[3-5]。1956 年，Warburg 開創性地發現癌細胞在有氧條件下仍進行糖酵解，將葡萄糖發酵成為乳酸，而非完全氧化供能。這一發現使得人們開始關注線粒體在腫瘤發生過程中的作用[6]。在癌細胞中，線粒體的生物學功能能夠使其在惡劣環境中適應并生存。本文就線粒體氧化應激與腫瘤發生之間的關系展開綜述，進一步了解腫瘤發生過程中線粒體生物學功能的發生機制。

1 線粒體氧化應激與活性氧產生

線粒體是一種存在于大多數真核細胞中的半自主細胞器，是細胞產能的場所。此外，它能夠產生活性氧（reactive oxygen species , ROS）、氧化還原分子和代謝產物，調節細胞信號傳導和細胞死亡，以及生物合成代謝物。以上諸多功能使線粒體在正常生理環境下成為重要的細胞應激傳感器，使細胞能夠適應微環境生存。

活性氧多由體內正常的生理代謝反應產生，包括以自由基形式存在的超氧陰離子自由基（O2-·）和羥基自由基（OH·），以及以非自由基形式存在的中間代謝產物過氧化氫（H2O2）等[7]。線粒體是活性氧產生的重要場所，多達1%的線粒體O2消耗量用于生產超氧化物[8,9]。此外，線粒體中仍具有多種中和活性氧的抗氧化劑途徑，包括超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase 2，SOD2）、谷胱甘肽、硫氧還蛋白和過氧化物酶。正常生理狀態下，活性氧通常保持在低濃度水平，并可通過信號傳導參與細胞調節，維持生命活動。而在病理狀態下，其濃度的升高則會打破抗氧化保護機制的平衡，導致氧化應激的發生從而引起細胞損傷與生理功能上的障礙。

2 線粒體氧化應激與腫瘤發生

在早期研究中發現，癌細胞中具有高水平的活性氧存在。活性氧通過線粒體電子傳遞鏈（electron transport chain，ETC）產生，在腫瘤發生過程中，由于癌基因信號、電子傳遞鏈突變以及低氧環境等因素的影響，都可因反應加劇導致其產量增多。大量活性氧的產生將促進蛋白質、DNA 及脂質大分子的氧化，使得基因組不穩定，從而進一步促進轉化。因此作出假設，猜測活性氧升高可促進腫瘤的發生，相應的，抑制活性氧可能成為治療腫瘤的一種途徑[10]。但是在后續的研究中人們發現了其中更加復雜化的關系，活性氧可刺激信號傳導與增殖，同時使相應的抗氧化劑途徑得到上調，阻止活性氧介導的細胞毒性，甚至有可能促進腫瘤細胞的生存[11,12]。

2.1 線粒體氧化應激調節信號通路

許多研究證明，活性氧可以通過引起可逆的轉錄后蛋白修飾來調控信號通路。具體來說，過氧化氫可以氧化半胱氨酸殘基上的硫醇基團(-SH)形成磺胺酸(-SOH)，后者與谷胱甘肽反應后谷胱甘肽化(- SSG)，與鄰近的硫醇形成二硫鍵(-SS -)，或與酰胺形成磺基酰胺(- SN -)[13]。每一種修飾都可以改變靶蛋白的活性，從而改變其在信號通路中的功能。另外，活性氧也可以通過這種方式調控磷酸酶，因其具有反應性半胱氨酸，可通過可逆性地氧化催化結構域，磷酸酶似乎可以通過這種方式受到活性氧的調控，因為它們的催化結構域具有活性的半胱氨酸，可被可逆氧化抑制去磷酸化活性[14]。

抑癌基因PTEN(phosphatase and tensin homolog deleted on chromosome ten)是腫瘤抑制磷酸酶和張力蛋白同源物，具有脂質和蛋白質磷酸酶活性。同時，PTEN 有雙重特異性蛋白酪氨酸磷酸酶的作用，且可以優先催化磷酸肌醇底物的去磷酸化。磷脂酰肌醇-3,4,5- 三磷酸（phosphatidylinositol-3,4,5-bisphosphate,PIP3）是蛋白激酶B（protein kinase B,PKB/Akt）的有效激活劑，PTEN 可使磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸（phosphatidylinositol-3,4,5-bisphosphate,PIP3）磷酸化，從而抑制了Akt 的活性。而在許多腫瘤細胞中，活性氧升高后，過氧化氫可通過氧化抑癌基因PTEN 活性位點上的半胱氨酸殘基使其失活，形成二硫鍵，從而阻止PTEN 抑制磷酸肌醇3-激酶（phosphatidylinositide 3-kinase，PI3K）通路。

磷酸肌醇3-激酶是一種普遍存在于胞內的脂類激酶，在細胞增殖、分化、凋亡等過程中起到重要的調節作用。磷酸肌醇3-激酶通路在許多癌癥中被過度激活，其激活可促進細胞的存活與增殖，并增加細胞遷移性[15]。生長因子結合并激活其受體后，激活的受體通過激活磷酸肌醇3-激酶的催化亞基p110，使磷酸肌醇（phosphoinositide，PI）磷酸化，最終激活Akt。Akt 的激活可通過調節磷酸肌醇3-激酶通路，促進細胞增殖并抑制細胞凋亡。PTEN 的半胱氨酸殘基由于過氧化氫的氧化而失活，磷酸肌醇3-激酶信號通路即因失活的PTEN 而激活。激活的信號通路可通過使糖原合成的酶激酶-3β（glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β）磷酸化導致其活性降低，促進丙酮酸脫氫酶和α-酮戊二酸脫氫酶復合體的生成，使得活性氧生成增加，從而促進腫瘤細胞的生存與增殖[16,17]。

細胞內活性氧水平對磷酸肌醇3-激酶通路亦可以產生影響。有研究證實，活性氧可氧化PTEN 上的活性位點半胱氨酸，使其與另一種蛋白內半胱氨酸形成二硫鍵，以此使得PTEN 失活、磷酸肌醇3-激酶通路的永久激活[18-20]。線粒體活性氧（mitochondrial reactive oxygen species, mROS）亦可抑制PTEN 并激活Akt。除此之外，活性氧還可抑制蛋白磷酸酶2A（protein phosphatase 2A，PP2A）和蛋白酪氨酸磷酸酶1B（proteintyrosinephosphatase 1B，PTP1B）等磷酸酶的活性[21,22]。 正常情況下，蛋白磷酸酶2A 與蛋白酪氨酸磷酸酶1B 可通過去磷酸化抑制Akt 活性，當活性氧抑制了二者的去磷酸化活性，其對于Akt 的抑制則失效[23-25]，從而通過上調Akt 信號傳導，達到促進腫瘤細胞的生長與增殖的作用。

2.2 線粒體氧化應激通過與腺苷酸活化蛋白激酶相互作用

在正常人體生理情況下，細胞不斷協調其新陳代謝，以滿足其能量需求并響應營養物質的使用。腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase, AMPK）是高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶復合物，其作為一種代謝傳感器，聯接許多分解代謝和合成代謝信號通路，以維持適當的細胞內三磷酸腺苷水平，幫助維持細胞能量穩態[26,27]。腺苷酸活化蛋白激酶支持腫瘤發生與代謝氧化變化之間的緊密聯系，已有越來越多的研究表明腺苷酸活化蛋白激酶與線粒體之間存在相互影響和作用，這與癌癥的發展也有相關。已有研究提示抑制腺苷酸活化蛋白激酶激活可能促進并維持癌癥的發生[28]，其磷酸化水平降低的腫瘤不良預后的可能性增加[29]，表明腺苷酸活化蛋白激酶活性降低可能會使腫瘤細胞更具侵略性。

最近有研究表明，腺苷酸活化蛋白激酶和線粒體活性氧之間可以互相調節[30]。一方面，線粒體活性氧可通過直接氧化或激活共濟失調毛細血管擴張突變基因（ataxia telangiectasia-mutated gene, ATM）等來直接或間接激活腺苷酸活化蛋白激酶[31,32]。另一方面，腺苷酸活化蛋白激酶可以通過上調線粒體解偶聯蛋白2（Uncoupling protein 2,UCP2）表達或調節自噬來抑制線粒體活性氧生成[33-35]。因此，線粒體活性氧或許可通過與腺苷酸活化蛋白激酶的相互調節，在腫瘤發生發展的病理過程中起到一定的作用。

2.3 線粒體活性氧通過調節自噬影響腫瘤發生發展

在低氧、自噬、免疫和細胞分化等生理狀況下，活性氧可以作為促進細胞適應應激的信號相關分子[36]，也可以作為線粒體自噬的有效誘導劑[37,38]。并且有研究發現，活性氧可通過信號通路誘導自噬[39]。

自噬是一種細胞內溶酶體降解過程，可通過不斷清除與回收受損的蛋白質及細胞器控制蛋白質/細胞器質量[39-41]。功能異常的線粒體通過自噬被清除并進入再循環，稱為線粒體自噬[42,43]。如果線粒體自噬被抑制，當細胞內總線粒體及受損線粒體數目增加，將會積累線粒體活性氧[44]。另外，饑餓誘導的自噬受線粒體活性氧的調節[40]。有研究發現，饑餓導致磷酸肌醇3-激酶活化，從而誘導線粒體活性氧，線粒體活性氧隨后氧化并滅活半胱氨酸蛋白酶Atg4（Autophagy Related 4）以促進自噬[45,46]。因此，線粒體活性氧和線粒體自噬可以形成一個反饋回路，線粒體活性氧誘導線粒體自噬，再通過減少線粒體數量限制活性氧的進一步產生。

雖然目前機制尚不明確，但在某些情況下，自噬可以導致自噬性細胞死亡。自噬性細胞死亡(Autophagic cell death)是非凋亡細胞死亡的主要方式之一，是由過氧化氫酶的選擇性降解導致過氧化氫的大量積累，隨后可能由于非特異性氧化損傷而導致細胞死亡[47]。而過氧化氫來源于線粒體，可通過增加線粒體活性氧直接誘導自噬性細胞死亡[48]。因此，線粒體活性氧在低水平的情況下，可通過誘導自噬在饑餓狀態下分配腫瘤細胞內資源促進腫瘤細胞存活，而在高水平的情況下，則可在無法生存時促進自噬性細胞死亡。

3 線粒體氧化應激與腫瘤的治療

活性氧參與許多細胞代謝和信號傳導過程[49]，并被認為與疾病有關，特別是在致癌和衰老中[50,51]在正常的生理條件下，人體細胞內的線粒體可產生活性氧，即線粒體活性氧。目前已有研究證實，致癌突變、線粒體突變均可促進腫瘤細胞內的線粒體活性氧生成。致癌基因如Ras、Akt 等可分別通過促進線粒體代謝及抑制活性氧清除導致線粒體活性氧水平升高[52]，而一些抑癌基因如p53 則可通過抑制線粒體活性氧生成介導腫瘤抑制[47,53]。線粒體突變則可通過上調線粒體活性氧水平介導調控腫瘤細胞的增殖[54]，提高腫瘤在活體中的成瘤能力及轉移能力[55,56]。因此，活性氧可通過參與介導腫瘤細胞內的信號通路、改變腫瘤細胞的新陳代謝以及參與調控缺氧誘導因子途徑等影響腫瘤的發生和轉移。而當腫瘤細胞內的線粒體活性氧水平降低至不足以通過激活上述途徑誘導腫瘤細胞生存、增殖及轉移時，可以抑制腫瘤的生長。

如今已有許多研究表明，相較于正常細胞而言，腫瘤細胞無論是活性氧還是抗氧化水平均相對偏高，從而也更容易受到活性氧水平的影響。因此，靶向調控線粒體活性氧在腫瘤細胞中的水平，或許可以為腫瘤的治療提供新的策略。