線粒體功能障礙與肝細胞癌的關系

高小強， 左 石， 賈曉東， 陸蔭英

1 貴州醫科大學附屬醫院 肝膽外科， 貴陽 550004;2 中國人民解放軍總醫院第五醫學中心 肝臟腫瘤診療與研究中心， 北京 100039

肝細胞癌(HCC)發病率占原發性肝癌的90%以上，是全球第五大常見腫瘤類型，其發病與病毒性肝炎、酒精性肝病、非酒精性脂肪性肝病等相關，早期診斷率低于40%；臨床上依據腫瘤分期，制訂治療方案，預后較差，5年生存率低于16%[1-3]；深入剖析HCC的發病機制，開發新的特效藥，是未來研究的方向。

線粒體是一種具有雙層膜結構的細胞器，內膜上存在“嵴”，系電子傳遞鏈組件的錨定部位；伴隨電子的傳遞，質子的移動，最終形成ATP，在此過程中，可產生一些活性氧自由基(ROS)副產物，具有細胞信號的功能。線粒體還含有相對自主的遺傳物質，即線粒體DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)，在核基因的調控下，合成一些重要組分。線粒體亦參與胞質內鈣穩態的調節、先天免疫信號的傳導以及細胞凋亡的調控，可在相應調控下，發生融合、分裂等動態變化，這種動力學變化在線粒體生理學中具有重要作用[4-5]。研究[6-10]證實，HCC發生、發展過程中，線粒體結構與功能均發生不同程度的變化，且這些變化可以影響HCC進展，本文就此作一綜述。

1 HCC細胞線粒體的變化

1.1 線粒體膜變化 正常情況下，線粒體外膜僅允許分子量<5000 Da的物質通過，而內膜對離子及小分子物質通透性較低。Bcl-2是一種線粒體外膜蛋白，通過與促凋亡蛋白(如Bax、Bak)相互作用，調節外膜通透性，進而控制凋亡相關物質，如細胞色素C、凋亡誘導因子等的釋放，調控細胞凋亡[4,6]。HCC組織中，Bcl-2表達上調，Bax表達下調，使得線粒體外膜通透性下降，抑制了HCC細胞的凋亡[11]。Funk等[12]團隊研究證實，在HCC發生過程中，促凋亡蛋白Bax及Bak的分布呈現動態變化，與Bak不同，Bax主要由線粒體逆向轉運至細胞質中，使得Bax和Bak分別駐留于HCC細胞的胞質及線粒體中，而在癌旁組織中的分布未見明顯差異；促凋亡蛋白的異位分布與低水平表達具有協同作用，大大降低了線粒體外膜的通透性，抑制了細胞的凋亡。

1.2 氧化呼吸鏈變化 HCC組織中，線粒體氧化呼吸鏈復合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的表達均減少[7,13]。線粒體微肽富集于肌肉組織，定位于線粒體，可調節正常的肌源性分化和肌肉發育。研究[14]表明，線粒體微肽在HCC組織中的表達量降低，可能通過促進呼吸鏈復合物Ⅰ的活性，使NAD+/NADH的比值升高，促進HCC進展。吡啶核苷二硫氧化還原酶結構域2(PYROXD2)位于線粒體內膜及基質中，可與氧化呼吸鏈復合物Ⅳ中的亞基結合，促進其活性；而PYROXD2在HCC組織中低表達，使得復合物Ⅳ的功能受到抑制[15]。泛醌Q10是線粒體電子傳遞鏈中的重要結構，其基因表達受到戊二磷酸合酶亞基2 (PDSS2)的調控；研究[16]發現，PDSS2在HCC組織中的表達下調，引起泛醌Q10的表達減少和復合物Ⅰ的活性減弱，促進腫瘤進展。

1.3 線粒體動力學變化 正常線粒體動力學主要包括：線粒體沿細胞骨架的運動、線粒體結構的調整、由栓系、融合或者分裂介導的連接等[8]。線粒體融合蛋白(mitofusin，MFN)1是主要的線粒體促融合蛋白；其在HCC組織中表達減少，導致線粒體融合發生率降低，分裂發生率升高，造成HCC組織中線粒體長度較癌旁組織中偏短[17]。MFN2是另一種重要的線粒體促融合蛋白，同MFN1，其在HCC組織中的表達量亦低于癌旁組織[18]。動力蛋白相關蛋白(dynamin-related protein，DRP)1是主要的促線粒體分裂蛋白，其在HCC組織中的表達量增高。由此可知，HCC組織中促線粒體融合蛋白呈現低表達，而促線粒體分裂蛋白呈現高表達，兩者相互協同，使得線粒體分裂發生率明顯增高，促進腫瘤進展[17]。

1.4 mtDNA變化 mtDNA是一個長度為16.6 kb的雙鏈環狀結構，所攜帶基因可編碼22種轉運RNA，2種核糖體RNA和13種多肽(包含呼吸鏈組分)[19]；研究[19-22]已證實，HCC組織中存在多種mtDNA的突變類型，主要包括：點突變、缺失突變、插入突變和拷貝數改變。對HCC組織中線粒體基因組進行檢測，結果顯示，約半數HCC樣本中的mtDNA至少攜帶一種同質或異質點突變；其中，76%位于D-環區域(mtDNA的非編碼調控區域)，2%位于核糖體RNA編碼區域，3%位于轉運RNA編碼區域，19%位于信使RNA編碼區域[19]。學者[20]對105例HCC組織及69例正常肝組織中mtDNA 4977 bp缺失信息進行檢測，結果發現，僅10例HCC組織樣本中存在此種缺失；且mtDNA 4977 bp缺失與HCC細胞ROS產生增多、mtDNA拷貝數增加相關。Hung等[21]研究發現，3.6%的HCC組織中存在mtDNA的插入突變，常見的插入序列為260 bp片段和520 bp片段，常以兩次或三次重復序列插入mtDNA D-環區的兩個多聚胞嘧啶片段之間，且這種突變的發生與多聚胞嘧啶片段的長度有關。除了以上mtDNA突變類型外，HCC組織中mtDNA的拷貝數亦減少[22]。

1.5 線粒體鈣穩態變化 線粒體鈣穩態是指線粒體通過調節機制，維持細胞內鈣離子濃度的穩定，這一過程對調節有氧代謝及細胞存活至關重要，其調節機制主要包括兩種：(1)鈣離子的緩沖；(2)與其他通道或細胞器協同作用[23]。線粒體鈣離子轉運體(mitochondrial Ca2+uniporter，MCU)是鈣穩態調控的關鍵因子，由核心亞基(鈣離子吸收通道)、調節亞基(MICU1、MICU2、MCUb)、必需調節因子構成，并受線粒體鈣單向轉運體調節分子1(mitochondrial calcium uniporter regulator 1，MCUR1)的調節；研究[10,24]證實，MCU、MICU1、MICU2以及MCUR1在HCC組織中高表達，通過促進線粒體鈣離子的攝入，激活下游信號通路，影響腫瘤進展。

2 線粒體結構及功能障礙對HCC的影響

PDSS2在細胞呼吸中扮演重要角色；細胞功能試驗證實，沉默永生化肝細胞中的PDSS2，可下調泛醌Q10的表達，抑制復合物Ⅰ的活性，使糖代謝轉向糖酵解途徑，符合癌細胞能量代謝的特點，更具有成瘤性，反之亦然[16]。HCV為HCC的病因之一，HCV的核心蛋白可以作用于肝細胞的線粒體，產生過多的ROS，誘導細胞生長相關的基因發生突變，促進HCC的發生[25]。我國學者[26]對HCC組織中mtDNA D-環區單核苷酸多態性進行檢測，結果發現，含有16266C/T、16293A/G、16299A/G等基因型的酒精性肝病個體易罹患HCC，含有523A/del基因型的HBV感染者更易發展為HCC；mtDNA中9 bp缺失多態性是中國人口發生HCC的一個危險因素[27]。Bcl-2基因多態性(rs2279115)與HCV相關HCC的易發性相關[28]。

線粒體動力學與HCC轉移相關。高轉移性HCC組織中線粒體分裂率明顯升高，MFN1表達減少在其中扮演重要角色；線粒體分裂可通過促進HCC細胞的上皮-間充質轉化(epithelial to mesenchymal transition，EMT)，激活糖酵解代謝途徑，進而增加癌細胞的轉移及侵襲能力，促進腫瘤進展；所以，MFN1可能作為HCC的潛在治療靶點[17]。Huang等[29]研究證實，HCC組織中過多的線粒體分裂跟DRP1/MFN1比值升高有關；不管是過表達DRP1，還是沉默MFN1，都可促進細胞自噬，抑制線粒體凋亡途徑；機制分析表明，線粒體分裂引起ROS產生增多，后者介導AKT的激活，并與TP53和NF-κB通路協同作用，促進腫瘤進展。氧化呼吸鏈中復合物Ⅳ亞基1在HCC組織中表達減少，且其低表達與HCC較低的生存率相關，可以作為HCC患者術后的預后因子[13]。HCC組織中，過表達的MCU可以通過促進線粒體鈣離子的攝入，抑制NAD+/SIRT3/SOD2信號通路，促進ROS的產生，進而通過ROS/JNK信號通路促進基質金屬蛋白酶2(matrix metalloproteinase-2，MMP-2)的合成，增加HCC細胞的轉移性及侵襲性，促進腫瘤的進展[30]。同樣，MCUR1亦可通過鈣離子信號途徑，激活ROS/Nrf2/Notch1信號通路，促進HCC細胞的EMT轉化，促進腫瘤轉移[10](圖1)。Bcl-xL/Bcl-2相關死亡促進因子(Bcl-xL/Bcl-2-associated death promoter，Bad)是Bcl-2家族中的成員，為一種凋亡促進因子；Bad在HCC組織中的表達量降低，且其低表達與腫瘤分期晚、腫瘤直徑大、血管侵犯、血清高水平AFP等相關，可作為HCC患者的預后因子[31]。Li等[32]對140例HCC組織中mtDNA D-環區進行檢測，共發現150個點序列變異，包括13個點突變、8個插入突變、20個缺失突變，116個多態性分布；其中，第150位堿基為T以及16263位堿基為T的變異體與患者無瘤生存期較長相關；315位插入堿基C的變異體與無瘤生存期較短相關；所以，不同的mtDNA D-環區域變異體，對HCC進展的影響各不相同。

圖1 HCC組織中線粒體變化及其對HCC進展的影響

3 線粒體靶向治療

目前，尚無評估HCC線粒體靶向治療的臨床試驗；然而，有證據表明調節線粒體功能是一種有潛力的治療手段。索拉非尼是美國食品藥品監督管理局批準的治療晚期HCC的一線藥物，是一種多激酶抑制劑；它可介導線粒體解偶聯，抑制氧化呼吸鏈中復合物的活性，減少ATP的生成[33]，還可促進細胞ROS的產生，消耗細胞內谷胱甘肽，觸發線粒體內鈣超載，最終釋放細胞色素C及caspase3/7，啟動細胞凋亡程序[34]。Li等[35]研究證實，索拉非尼可抑制HCC細胞線粒體自噬，降低線粒體膜電位，誘導細胞發生鐵死亡；補充谷胱甘肽可抑制ROS的產生，改善脂質過氧化，減少細胞鐵死亡；半胱氨酸剝奪與索拉非尼具有協同作用，兩者共同處理的細胞更易發生鐵死亡，有望成為治療晚期HCC的新方法。二甲雙胍是氧化呼吸鏈復合物Ⅰ的抑制劑，可通過抑制M2型丙酮酸激酶及脂肪酸合酶的合成，延緩AKT/c-Met驅動的小鼠HCC的發生[36]。青蒿酯(ART)是一種經典的抗瘧藥物，在多種惡性腫瘤中發揮顯著的抗瘤作用；因其生物利用度低，我國學者將其與環金屬銥(Ⅲ)配合物相連，構建成Ir-ART-1-3復合物。研究[37]證實，Ir-ART-1-3可直接定位到HCC細胞線粒體膜上，破壞其功能，導致線粒體膜電位降低、ROS產生增多，誘導線粒體途徑凋亡的發生，并可調節細胞周期，抑制HCC細胞的轉移性；所以，Ir-ART-1-3有望成為未來HCC治療的候選藥物。電壓依賴性陰離子通道1(voltage-dependent anion channel 1，VDAC1)位于線粒體外膜，介導線粒體與細胞內其他成分間的交流，在細胞一系列生理過程中(ATP分配、Ca2+穩態、細胞凋亡的執行等)扮演重要角色。R-Tf-D-LP4是靶向VDAC1的分子多肽，它可以破壞HCC細胞的能量及代謝穩態，誘導細胞凋亡，抑制腫瘤進展，是一種很有前景的HCC治療方法[38]。

4 小結

線粒體是細胞內至關重要的細胞器，參與細胞能量代謝、物質代謝、鈣穩態、細胞凋亡等一系列細胞生理過程的調節。HCC組織中線粒體膜、氧化呼吸鏈、線粒體動力學、mtDNA、線粒體鈣穩態等均發生不同程度的變化，線粒體結構及功能障礙可促進HCC的進展，影響腫瘤的預后；雖然，目前尚無治療HCC的線粒體靶向藥物，然而，已有研究表明調節線粒體功能是一種有效的治療手段；所以，線粒體功能障礙促進HCC進展的深層機制亟待進一步研究，為開發靶向藥物，奠定堅實的理論基礎。

利益沖突聲明：所有作者均聲明不存在利益沖突。

作者貢獻聲明：高小強負責資料分析，撰寫論文；左石、賈曉東負責提出具體修改意見并進行修改；陸蔭英負責擬定撰寫思路，指導文章寫作并最終定稿。