線粒體動力學障礙在癌癥中的研究進展

張曉云， 張亞京， 鐘 艷， 胡志達， 竇永青， 常 奕

(河北中醫學院， 河北 石家莊 050220)

線粒體被普遍認為是細胞能量生產的“工廠”，在真核細胞中起著十分重要的作用。有氧條件下，三磷酸腺苷(adenosinetriphosphate，ATP)作為細胞能量的直接來源，大約90%是在線粒體中通過氧化磷酸化(oxidative phosphorylation，OXPHOS)途徑產生，以滿足細胞對生物能量需求[1]。此外，大量研究表明線粒體已經成為真核細胞的中心信號樞紐[2]，其功能與所有其他細胞器密切相關，影響細胞基因表達、調節細胞周期、維持Ca2+穩態、參與細胞凋亡、調控細胞對環境不斷變化的適應性等，發揮重要生物學作用[3,4]。

線粒體是高度動態的細胞器，在經歷突然內源性和外源性刺激或損傷時，通過改變其自身結構滿足細胞的能量和生理需求，形成一個活躍的網絡，提示其結構的變化與功能的實現密不可分。在細胞內，線粒體不斷進行分裂與融合，從而維持線粒體形態和網絡結構穩定的動態平衡過程，被稱為線粒體動力學。近年來越來越多研究表明，線粒體動力學紊亂與癌癥特征密切相關，例如癌癥的耐藥、腫瘤干細胞的維持、癌癥疾病進展等，也成為了癌癥研究的熱點[5,6]。因此，本文通過對線粒體動力學的概述和線粒體動力學紊亂在癌癥發生發展中的作用進行總結，旨在為癌癥研究提供新的理論參考。

1 線粒體動力學概述

線粒體是由外膜(outer mitochondrial membrane，OMM)、膜間隙、內膜(inner mitochondrial membrane，IMM)和基質組成的雙膜細胞器[7]。線粒體兩層膜的結構和功能各不相同。OMM是線粒體信號的主要平臺。IMM有許多褶皺，稱為嵴，是電子傳遞鏈組裝和OXPHOS的位點，主要涉及線粒體能量轉換[8]。此外，由于線粒體中含有氧利用的終端電子受體復合物IV，生成能量的同時，使得線粒體也成為細胞內活性氧(reactive oxygen species，ROS)的主要來源[9]。ROS具有氧化脂質、核酸和蛋白質的潛在危害，使線粒體成為代謝性和退行性疾病以及衰老的病因之一。線粒體動力學的兩個關鍵方面，取決于線粒體融合和分裂的交替循環。面對內源性和外源性刺激，線粒體能夠不斷調整其結構、分布及整體適應性，達到融合和裂變機制之間的動態平衡。例如，在營養缺乏過程中，線粒體融合在一起，形成相互連接的絲狀網絡，以共享前體營養、mtDNA、ETC成分，并維持OXPHOS。相反，線粒體分裂產生更小、碎片化的線粒體，這有利于線粒體向高能量需要區域移動，或有絲分裂后線粒體向子細胞均勻分布[10]。因此，線粒體動力學調控的線粒體融合、分裂及二者的動態平衡，決定線粒體形狀、豐度和質量。

1.1線粒體融合:在哺乳動物細胞中，線粒體的融合是由兩種屬于大型GTPases的動力蛋白相關家族成員調節，分別是位于OMM的MFN1、MFN2和位于IMM的OPA1。MFN1和MFN2雖然具有非常高的同源性和相似的結構組織，但兩種絲裂蛋白具有不同的功能。MFN1和OPA1是融合反應的核心成分，而MFN2在融合中的確切作用尚不清楚。有研究表明MFN2參與線粒體-線粒體、線粒體與其他細胞器(特別是內質網)的相互作用[11]。由預測的GTPase結構域和羧基末端的末端組成最小MFN1晶體結構表明MFN1以GTP依賴的方式二聚形成人工膜聚簇，進而拉進兩個毗鄰的線粒體外膜，形成三種不同的同型或異性寡聚物，促進OMM融合[12]。對于全長MFN1是否也是如此還有待確定。線粒體動力學早期表明OPA1直接參與IMM融合、線粒體DNA維持和嵴形成[13]。有證據表明，在真核生物中至少存在八種OPA1亞型，每一種亞型都有特定的功能。總的來說，OPA1主要有兩種存在形式長OPA1(long OPA1protein structure，L-OPA1)和短OPA1(short OPA1protein structure，S-OPA1)。L-OPA1亞型決定了線粒體融合，而S-OPA1亞型參與了線粒體分裂[14,15]。體外研究表明，L-OPA1在膜間建立了兩種類型的相互作用:兩個不能融合的L-OPA1分子間的同型反式相互作用;L-OPA1和心磷脂之間的異型反式相互作用具有融合能力。與S-OPA1在嵴生物發生中的作用類似，將S-OPA1添加到反式L-OPA1心磷脂復合物中增強了膜融合[15]。有研究合理推測由GTP水解刺激的MFN1激活，MFN1寡聚介導OMM融合孔的協調形成，促使OPA1右轉螺旋組裝介導的IMM融合，線粒體的融合依賴于L-OPA1和S-OPA1之間的適當平衡[16]。總體而言，OPA1的加工對線粒體動力學有廣泛的影響，具體不同形式的OPA1功能有待進一步探究。

1.2線粒體分裂:線粒體的分裂主要由動力相關蛋白1(dynamin-related protein 1，DRP1)介導，從胞質轉位到線粒體，與OMM受體結合，結合之后DRP1寡聚并驅動剪切。DRP1受體主要包括線粒體裂變因子(mitochondrial fission factor，MFF)、線粒體動力學蛋白49kDa(mitochondrial dynamics protein of 49kDa，MID49)、線粒體動力學蛋白51kDa(mitochondrial dynamics protein of 51kDa，MID51)、線粒體裂變1蛋白(mitochondrial fission 1 protein，FIS1)，其中在哺乳動物中MFF作用最為突出[17]。通過MID49/MID51-DRP1-GTP復合物的低溫電鏡分析，對DRP1介導的剪切機制有了深入的了解。GTP與DRP1結合誘導線粒體膜上線性聚合物的形成，并通過與受體的相互作用穩定下來。隨后的GTP水解與聚合物縮短有關，聚合物卷曲成內徑為16nm的閉合環，在線粒體完全收縮的范圍內。也有證據表明，即使在沒有DRP1受體的情況下，DRP1也可以形成寡聚，但結構研究表明在此情況下，非核苷酸依賴的膜收縮，最終直徑為30-70nm，并不足以驅動整個線粒體收縮，表明該線粒體完成分裂的過程需要其他DRPs[18]。此外，DRP1是一種必須轉移到線粒體以誘導裂變的胞質蛋白。這種易位依賴于DRP1的Ser637的磷酸化-去磷酸化。這種由PKA介導的修飾降低了DRP1的GTPase活性，促進線粒體融合導致線粒體伸長。同樣的位點可以被Ca2+依賴的鈣調磷酸酶去磷酸化，促使線粒體的分裂。也有研究表明線粒體裂變位點與內質網小管緊密相關，內質網小管與肌動蛋白細胞骨架共同支持線粒體膜收縮，影響線粒體的分裂[19]，表明線粒體分裂的過程比DRP1介導的膜斷裂要復雜得多。

2 線粒體動力學障礙與癌癥

線粒體動力學障礙主要表現線粒體融合與分裂失衡，其特征是線粒體膜電位降低和ROS產生增加，導致細胞內能量生成減少，最終引起線粒體功能和細胞穩態的破壞。近年來，有研究發現癌細胞的發生發展與線粒體動力學功能障礙、線粒體自噬細胞過程之間存在著密切的聯系[20]。癌細胞根據其能量和合成需求來調節線粒體的形態，以維持細胞增殖和遷移，并逃避細胞凋亡的發生。

2.1線粒體融合障礙與癌癥:MFNs或OPA1功能的改變導致線粒體融合減少，線粒體動力學的平衡轉向過度碎片。Zhang等[21]研究表明，MFN1功能缺失觸發了肝細胞癌的上皮-間充質轉化，有利于HCC轉移和侵襲性。體外實驗表明，敲低MFN1會重編程葡萄糖代謝，誘導糖酵解途徑。Han等[22]證實在缺氧情況下，卵巢癌細胞株SKOV3和PA1中MFN1 mRNA表達水平下調，導致ROS的產生增多，導致線粒體分裂融合比增加，卵巢癌細胞株的順鉑耐藥性增強。隨后，Mdivi-1處理抑制線粒體分裂，抑制了兩種細胞系對順鉑的耐藥性。盡管與MFN1相比，MFN2的促融合能力較低，但MFN2與Sirtuin1(SIRT1)被證明參與了胃癌中YAP蛋白的活性的調節[23]。在胃癌細胞株GES-1和AGS的體外實驗表明，MFN2/SIRT1軸不僅有助于促進細胞自噬和抑制caspase-9介導的細胞凋亡，還能夠促進片狀足的形成，促進細胞遷移。同時，MFN2還能顯著抑制胰腺癌細胞中p-PI3K、p-Akt、p-mTOR蛋白的表達。此外，MFN2還能抑制胰腺癌細胞增殖和ROS的產生。Kaplan-Meier曲線評估顯示，MFN2-胰腺癌的預后較MFN2+胰腺癌差。

鑒于OPA1在線粒體形態和功能調控中的重要作用，有研究聚焦于其在癌癥中的活性。近期研究表明，在卵巢癌中OPA1水平升高，同時伴隨線粒體有氧代謝、線粒體數量增加，線粒體生產的兩個主要調控因子過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1-α(PGC1α)和線粒體轉錄因子A(TFAM)表達增加。Herkenne等[24]首次證明，腫瘤發育和血管生成也需要OPA1。在血管內皮細胞中，血管生成刺激引起OPA1表達反應，隨后抑制活化B細胞核因子κ-輕鏈增強子，最終有利于促血管生成基因的表達和血管生成，促進腫瘤形成和增強腫瘤的侵襲性。此外，OPA1部分介導了withafin A(WA)在乳腺癌細胞中的抗腫瘤活性。WA處理人乳腺癌細胞系MCF-7和SUM159后，細胞色素還原酶(電子傳遞鏈復合體Ⅲ)組裝和表達減少，OPA1表達量減少，線粒體體積減少，融合減少。

2.2線粒體分裂障礙與癌癥:Liang等[25]研究表明DRP1在胰腺癌細胞系和組織樣本中表達顯著上調，體內外實驗證實DRP1促進細胞生長和侵襲性，促進G1-S期轉化和MMP2的表達。此外，DRP1同時增加了線粒體分裂的糖酵解活性。Nagdas等[26]證明了胰腺癌細胞中DRP1缺失，腫瘤細胞糖酵解正常，線粒體形態受損，最終導致TCA循環受損和脂肪酸β氧化受損，在KRas驅動腫瘤模型中具有顯著的生存優勢。在KRas突變型非小細胞肺癌的研究中發現，DRP1促進KRas突變的非小細胞肺癌細胞的乳酸利用，抑制ROS產生。Chauhan SS等[27]發現抑制絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶(PIM)，可顯著增加DRP1蛋白表達水平和線粒體定位，導致線粒體明顯碎裂，增加線粒體ROS的產生和對藥物治療的耐藥性。抑制PIM可使非小細胞肺癌對化療致敏，并在體內外產生協同抗腫瘤反應。Guo等[28]發現PINCH-1在肺腺癌中高表達，并通過調節線粒體動力學促進脯氨酸合成。PINCH-1敲除增加DRP1的表達和線粒體碎裂，抑制kindlin-2線粒體易位以及與PYCR1的相互作用，從而抑制脯氨酸合成和細胞增殖。

3 線粒體功能異常與癌癥

線粒體代謝和氧化應激通常調節線粒體動態。線粒體分裂和融合的比例，以及它們的形態和分布，可以調節各種生物過程，包括能量生產。當細胞受到不良刺激時，線粒體通過融合形成大的線粒體，增強細胞對不良刺激的應對能力。同時，有研究表明腫瘤微環境中，各種細胞應激會促進線粒體異常分裂，增加ROS的水平，增強腫瘤細胞的侵襲性，誘導其遠處轉移[29]。線粒體分裂增加和融合減少導致線粒體功能異常通常與癌癥發生密切相關。

3.1線粒體能量代謝異常:線粒體是代謝、生物合成和氧化還原狀態平衡的生物能量樞紐。癌細胞的異型性是疾病進展和治療失敗的主要原因，這是由于腫瘤干細胞等功能不同的亞群的存在。OXPHOS是腫瘤干細胞的主要能源。癌細胞通常被稱為基質的非癌性宿主組織所包圍，基質在腫瘤生長和轉移中起著重要作用。依賴OXPHOS的腫瘤干細胞可以利用基質細胞釋放的各種代謝物來適應腫瘤微環境的變化，并為TCA循環提供原料。Peiris-Pages等[30]研究發現mDIVI1是線粒體裂變蛋白DRP1的抑制劑，可誘導線粒體氧化應激和有效降低線粒體代謝，抑制乳腺癌細胞中3D腫瘤球形成能力、細胞遷移和干細胞相關信號，這表明mDIVI1可能被用于治療性消除癌癥干細胞。miR-125a具有抑制線粒體裂變的能力，有助于細胞存活。低含量的miR-125a可上調Mfn2的轉錄和表達，導致線粒體分裂失活。通過抑制線粒體分裂導致線粒體碎片減少，保留線粒體膜電位，抑制線粒體通透性過渡孔開放，減少細胞色素c向細胞質滲漏，降低促凋亡蛋白含量，最終阻斷線粒體相關凋亡途徑。此外，miR-125a誘導的缺陷線粒體分裂通過促進電子傳遞鏈復合物的活性增強了線粒體依賴的能量代謝。通過保持F-actin平衡，抑制線粒體裂變也有助于PANC-1細胞的遷移。上述研究表明，線粒體裂變是一個miR-125a調控的腫瘤抑制過程，其作用是限制PANC-1細胞的生存、能量代謝和遷移，這對胰腺癌治療的新方法具有潛在的意義[31]。

3.2ROS異常:有報道稱ROS可驅動腫瘤的啟動、轉化、增殖和擴散[32]。在生理上，ROS水平升高可促進突變、原癌基因激活、腫瘤抑制因子失活、代謝刺激、自噬和信號轉導途徑、細胞增殖、存活，以及細胞對實體腫瘤核心不利微環境的適應。胞漿細胞周期蛋白C與DRP1的酵母同源基因Drp1和Dnm1相互作用，分別促進線粒體分裂和應激誘導的細胞凋亡。體外研究結果表明，cyclin C通過其第二個cyclin box結構域與DRP1的GTPase結構域結合[33]。然而，cyclin C作為實體腫瘤抑制因子具有促凋亡功能，缺乏cyclin C的MEF細胞對順鉑誘導的凋亡具有抗性。通過闡明細胞周期蛋白C介導的應激反應途徑的機制，進一步揭示了S-HAD或H2O2處理不僅導致線粒體碎裂，還增強了線粒體Bax的募集和激活，且這一過程均以細胞周期蛋白C和線粒體ROS依賴的方式發生[34]。然而，盡管S-HAD誘導的線粒體碎裂與線粒體超氧化物的產生呈正相關，但S-HAD處理對細胞活力沒有顯著影響。因此，該過程涉及轉化腫瘤本身、順鉑、S-HAD誘導的線粒體裂變三種氧化應激的協同作用，超過了凋亡癌細胞的殺傷閾值。因此，作者可以推測，并不是片段表型本身導致了凋亡過程的激活，而是觸發最大限度的ROS產生所必需的線粒體形態的突然變化所引起。

由于細胞內ROS在腫瘤發生中的驅動作用，它不僅可以被視為致癌轉化的標記物，而且可以作為靶向抗癌治療的特異性靶標。鑒于在腫瘤中發現的不同ROS生成率，確定促氧化癌癥治療窗口，旨在將ROS水平提高到假定閾值以上，可能是殺滅癌細胞而非正常細胞的可行治療方式。此外，內源性ROS解毒系統，經常在腫瘤中上調以逃避細胞保護機制，也被廣泛認為是抗癌治療的潛在靶點。總之，ROS是一種有效的腫瘤治療潛在靶點。

4 小 結

由于線粒體形態學的變化與重要的細胞功能密切相關，包括那些在癌癥中改變的功能，因此線粒體動力學的變化對腫瘤進展或對治療的耐藥性十分重要。有研究證實與正常細胞相比，癌癥組織中線粒體質量和超微結構發生改變，包括超微結構不均一、晶體紊亂、線粒體膜改變、基質空泡、線粒體腫脹和扭曲[35]，但這些觀察結果的功能含義以及對癌癥治療的重要性尚不清楚。此外，盡管對調節線粒體融合和裂變的分子機制以及它們在某些癌癥類型或癌癥相關情況中的作用有了更多的了解，但對操縱線粒體動力學機制的精確了解尚未用于癌癥治療。有效靶向線粒體融合或裂變進行治療或使用線粒體形態作為癌癥生物標志物的主要缺陷在于線粒體在不同類型的癌癥或環境中呈現出環境依賴的特征。線粒體動力學改變被證明與癌基因介導的轉化和增殖有關，因此確定線粒體形態的變化是否針對一系列癌癥突變或癌細胞，這些變化是否有助于腫瘤進展，以及線粒體動力學是否可以有效地靶向治療，有待進一步深入探究。