姜 軍，格日力

(1青海大學(xué)高原醫(yī)學(xué)研究中心，西寧810001;2青海大學(xué)附屬醫(yī)院)

目前惡性腫瘤已成為導(dǎo)致人類死亡的主要病因之一。WHO公布數(shù)據(jù)顯示，2008年全球新增腫瘤患者1 270萬，因腫瘤致死人數(shù)約760萬，占總死亡人數(shù)的13%［1］。腫瘤的形成與發(fā)展涉及諸多機(jī)制，近年的研究發(fā)現(xiàn)線粒體基因(mtDNA)的結(jié)構(gòu)及功能缺陷與腫瘤有明顯相關(guān)性，被認(rèn)為是腫瘤形成和發(fā)展的重要原因之一?，F(xiàn)將相關(guān)研究進(jìn)展情況綜述如下。

1 mtDNA的結(jié)構(gòu)及功能

線粒體含有獨(dú)立于核基因外的遺傳物質(zhì)，在新陳代謝和生物能量轉(zhuǎn)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(dú)立復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯。人類mtDNA是16 569 bp的雙鏈共價閉合環(huán)狀分子，兩條互補(bǔ)鏈的堿基組分不同，外鏈富含嘌呤(A和G)，稱為重鏈，內(nèi)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(fù)合物結(jié)構(gòu)亞基的基因、2個rRNA基因、22個線粒體tRNA基因和D-環(huán)。D-環(huán)是負(fù)責(zé)調(diào)控mtDNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄的非編碼區(qū)，含有mtDNA重鏈復(fù)制的起點(diǎn)和輕、重鏈的轉(zhuǎn)錄啟動子以及4個高度保守序列。mtDNA主要在細(xì)胞周期的S期及G2期復(fù)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(fù)制的重要蛋白［2］。mtDNA復(fù)制時還需線粒體RNA聚合酶(POLRMT)先在線粒體基因復(fù)制起始區(qū)形成莖環(huán)樣結(jié)構(gòu)的復(fù)制啟動引物［3］。參與mtDNA轉(zhuǎn)錄的蛋白主要有線粒體RNA聚合酶、線粒體轉(zhuǎn)錄因子A(mtTFA)和線粒體轉(zhuǎn)錄因子B2(TFB2M)［2］。mtTFA是線粒體轉(zhuǎn)錄的關(guān)鍵激活子，可以改變線粒體D-環(huán)區(qū)內(nèi)的輕鏈啟動子結(jié)構(gòu)，使POLRMT能夠識別并與啟動子上的序列元件結(jié)合，促進(jìn)mtDNA轉(zhuǎn)錄［3］。細(xì)菌和真核生物中線粒體轉(zhuǎn)錄因子B1(TFB1M)和TFB2M有高度的保守性。TFB2M是mtDNA轉(zhuǎn)錄時POLRMT的作用位點(diǎn)［4］。TFB1M是重要的rRNA甲基轉(zhuǎn)移酶，對維持線粒體核糖體蛋白的穩(wěn)定有重要作用［5］。線粒體產(chǎn)生能量的同時也產(chǎn)生自由基，因mtDNA無組蛋白的保護(hù)，而且修復(fù)能力有限，mtDNA易受損傷發(fā)生突變，并可在體細(xì)胞中累積。這可能也是腫瘤形成和進(jìn)展的病理生理基礎(chǔ)之一。

2 mtDNA突變與腫瘤的關(guān)系

結(jié)直腸癌組織中可檢測到mtDNA的大片段缺失［6］，腎細(xì)胞癌組織中存在mtDNA的小片段缺失突變［7］，13%的惡性膠質(zhì)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(fā)揮作用。Ishikawa等［9］研究證實mtDNA突變促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移。呼吸鏈?zhǔn)羌?xì)胞活性氧產(chǎn)生的主要場所，編碼線粒體呼吸鏈的mtDNA突變可導(dǎo)致活性氧產(chǎn)生增加，線粒體功能障礙，是腫瘤形成和轉(zhuǎn)移的重要病理基礎(chǔ)［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(yīng)。

在不同腫瘤細(xì)胞中已發(fā)現(xiàn)編碼呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ亞基的ND5、ND4L、ND1基因及編碼復(fù)合物Ⅲ亞基的CYTb基因和編碼復(fù)合物Ⅳ亞基的COXⅠ、COXⅡ、COXⅢ基因突變，并且細(xì)胞氧化磷酸化功能存在不同程度的障礙。Pelicano等［11］認(rèn)為，腫瘤細(xì)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(xì)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(xì)胞的生成，這在攜帶ND5基因突變的線粒體雜交細(xì)胞系中也得到證實［12］。攜帶ND5基因雜合突變細(xì)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(dá)，細(xì)胞內(nèi)H2O2水平正常，但含有ND5基因純合突變的細(xì)胞系SOD2和H2O2同時增高，產(chǎn)生ATP的能力下降，細(xì)胞呈現(xiàn)凋亡趨勢［13］。提示腫瘤細(xì)胞表型受mtDNA突變異質(zhì)性的影響。攜帶ND5基因雜合突變的細(xì)胞明顯促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的形成，而純合突變降低腫瘤的形成。因此認(rèn)為腫瘤細(xì)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(fù)能力有限，mtDNA突變發(fā)生概率大大增加，隨著突變mtDNA積累到一定閾值，加之腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生的活性氧增多或基因的不穩(wěn)定性增加，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的生長，阻止細(xì)胞衰老和凋亡。

3 mtDNA拷貝數(shù)與腫瘤的關(guān)系

因組織器官的不同每個哺乳動物細(xì)胞含有數(shù)百至上千個拷貝的mtDNA。mtDNA拷貝數(shù)受細(xì)胞生理狀態(tài)的調(diào)節(jié)，細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境發(fā)生改變時，如缺氧、固醇類激素刺激等，mtDNA拷貝數(shù)也隨之改變。結(jié)直腸癌［6］、急性淋巴細(xì)胞白血?。?2］組織中 mtDNA拷貝數(shù)升高，而在乳腺癌［14］、纖維板層癌［15］等組織中mtDNA拷貝數(shù)降低。乳腺癌患者mtDNA拷貝數(shù)與其發(fā)病年齡、腫瘤高分化和陰性黃體酮受體有明顯相關(guān)性，mtDNA拷貝數(shù)降低者存活率低［14］。但腫瘤組織中的mtDNA拷貝數(shù)受復(fù)雜的機(jī)制調(diào)控，不是單純以細(xì)胞畸形繁殖能解釋的。

腫瘤組織中mtDNA拷貝數(shù)的變化與p53介導(dǎo)的信號通路相關(guān)。Vivekanandan等［15］發(fā)現(xiàn) p53降低至正常50%以下時，可提高mtDNA對氧化應(yīng)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(shù)也降低，說明乳腺癌組織中mtDNA拷貝數(shù)減少部分是由于POLG基因缺陷導(dǎo)致的［16］。其他與線粒體生物合成相關(guān)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(dá)變化與mtDNA數(shù)目的減少及細(xì)胞的狀態(tài)有相關(guān)性［17］。因此可認(rèn)為mtDNA拷貝數(shù)的降低是mtDNA和核基因共同作用的結(jié)果。

4 mtDNA檢測在腫瘤診治中的作用

研究［7，11］發(fā)現(xiàn)，腫瘤細(xì)胞攜帶突變的 mtDNA，mtDNA的突變可能出現(xiàn)在腫瘤的早期階段或癌前病變期。Jones等［18］發(fā)現(xiàn)，在腫瘤細(xì)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(rèn)為mtDNA可作為腫瘤細(xì)胞檢測的指標(biāo)。在mtDNA拷貝數(shù)增高的喉癌HEp2細(xì)胞可抵抗多烯紫杉醇誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡，主要是通過加強(qiáng)ATP酶活性和降低活性氧的生成起作用［19］。mtDNA拷貝數(shù)高的乳腺癌MDA-MB-231細(xì)胞對阿霉素治療的敏感性降低，和mtDNA拷貝數(shù)低的細(xì)胞相比活性氧產(chǎn)生減少。根據(jù)這些結(jié)果，推測mtDNA數(shù)目的改變對腫瘤細(xì)胞的抗藥性有一定的積極作用，可作為預(yù)測腫瘤對化療藥物反應(yīng)性的一種生物標(biāo)記。

有學(xué)者［20］提出將線粒體作為抗腫瘤治療的靶標(biāo)，并將通過作用線粒體的不同代謝和氧化磷酸化環(huán)節(jié)誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡而達(dá)到抗腫瘤的一類藥物稱為Mitocan，根據(jù)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(xì)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(jié)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(xì)胞，腫瘤細(xì)胞處于較高水平的活性氧狀態(tài)，對增強(qiáng)細(xì)胞氧化應(yīng)激的藥物更敏感。④線粒體滲透性轉(zhuǎn)換孔道復(fù)合體(PTPC)靶向藥物:氯尼達(dá)明和CD437?？赏ㄟ^下調(diào)位于線粒體內(nèi)膜和外膜上的腺苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(ANT)和電壓依賴離子通道(VDAC)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。這兩種蛋白是滲透性轉(zhuǎn)換孔道復(fù)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(fù)合物Ⅰ的阻滯劑有魚藤酮、粉蝶毒素;抑制復(fù)合物Ⅱ的α-TOS和維生素E琥珀酸酯;抑制復(fù)合物Ⅲ的抗霉素A和白藜蘆醇;抑制復(fù)合物Ⅳ的一氧化氮;抑制復(fù)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(xì)胞的氧化應(yīng)激狀態(tài)，增加電子漏的形成，產(chǎn)生氧自由基，增加細(xì)胞毒性，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞凋亡。呼吸鏈復(fù)合物Ⅱ抑制劑α-TOS升高細(xì)胞內(nèi)活性氧，通過Mst1/Hippo-FoxO1-NOXA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。⑥三羧酸循環(huán)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(jìn)入三羧酸循環(huán)，糖無氧酵解到有氧氧化轉(zhuǎn)化增多，消耗跨膜電位，激活鉀離子通道，增加活性氧的產(chǎn)生，誘導(dǎo)細(xì)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(fù)制，使腫瘤細(xì)胞凋亡。這種通過升高腫瘤細(xì)胞的活性氧超出耐受閾值誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的途徑為開發(fā)新的抗腫瘤藥物提供了生化依據(jù)。

綜上所述，mtDNA結(jié)構(gòu)及功能缺陷，尤其mtDNA突變，在人類腫瘤的形成和發(fā)展過程中起著重要作用。但有關(guān)線粒體功能障礙與腫瘤早期診斷、臨床病理及預(yù)后的關(guān)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(jìn)展、指導(dǎo)臨床治療及判斷腫瘤復(fù)發(fā)和預(yù)后等方面尋找到特征性線粒體生物標(biāo)記。

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