張宇睿 徐文清

300192天津，中國醫(yī)學科學院北京協(xié)和醫(yī)學院放射醫(yī)學研究所，天津市放射醫(yī)學與分子核醫(yī)學重點實驗室

電離輻射對線粒體損傷的研究進展

張宇睿 徐文清

300192天津，中國醫(yī)學科學院北京協(xié)和醫(yī)學院放射醫(yī)學研究所，天津市放射醫(yī)學與分子核醫(yī)學重點實驗室

細胞核中的DNA被認為是電離輻射的首要靶點，其損傷效應備受關(guān)注。近年來隨著研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)線粒體也是電離輻射的重要靶點。線粒體作為人體唯一含有編碼DNA的細胞器，受到電離輻射后發(fā)生氧化應激不僅影響細胞的正常功能，甚至導致細胞凋亡。筆者通過現(xiàn)有的研究數(shù)據(jù)總結(jié)了受到電離輻射后線粒體功能和形態(tài)的變化，從而為輻射防護提供新的思路。

輻射，電離；線粒體；氧化性應激

Fund program:National Natural Science Foundation of China（81273005）；Natural Science Foundation of Tianjin（14JCZDJC36400）； Research Fund ofInstitute ofRadiation， Chinese Academy of Medical Sciences（SF1528）

近年來，由于放療技術(shù)和核能的發(fā)展，人們越來越多地關(guān)注電離輻射對生物體造成的各種影響。長久以來，人們一直認為電離輻射損傷的主要靶點是細胞核中的DNA，然而近年來有報道，電離輻射有直接效應和間接效應，間接效應中的活性氧損傷學說認為電離輻射具有靶標不確定性，只評價細胞核中的DNA損傷已經(jīng)顯得不夠全面。電離輻射后基因表達的異常以及染色體組的不穩(wěn)定性等輻射間接造成的遺傳效應[1]，使輻射生物學面臨新的挑戰(zhàn)。

有報道指出電離輻射除了導致細胞損傷效應，還會導致細胞器受到損傷[2]。線粒體是受到損傷的重要細胞器，因為在細胞質(zhì)中線粒體占據(jù)整個細胞容積的30%之多，其中含有的DNA和相關(guān)的酶與細胞ATP合成、有氧呼吸等生命活動息息相關(guān)。更值得注意的是，線粒體是人體唯一有DNA存在的細胞器，這使研究者對電離輻射導致的線粒體DNA的各種損傷（如雙鏈的斷裂、堿基的錯配以及片段的丟失）引起重視。雖然這些損傷在細胞核也會發(fā)生，但是由于線粒體DNA缺乏組蛋白保護，其損傷比細胞核DNA更嚴重，因此線粒體是除細胞核以外電離輻射損傷的重要靶點。

電離輻射對線粒體的功能產(chǎn)生影響，使線粒體有氧呼吸鏈遭到破壞，線粒體處于氧化應激狀態(tài)，最終激活線粒體凋亡通路使細胞凋亡[3]。同時，輻射會導致編碼有氧呼吸鏈蛋白的DNA發(fā)生損傷，影響有氧呼吸中ATP的產(chǎn)生，對細胞的存活構(gòu)成威脅[4]。可以看出，線粒體是輻射損傷并誘導凋亡的首要靶標。即便線粒體在電離輻射損傷中有如此重要的地位，但仍不能完全取代現(xiàn)有的細胞輻射損傷評價模型的評價指標，現(xiàn)有的評價指標依舊集中在細胞核及其遺傳物質(zhì)上。

由于對電離輻射所致線粒體損傷效應的研究遠遠少于對細胞核的研究，因此，本文概括了一些受到電離輻射后線粒體的應答，并把線粒體對細胞整體應激反應的重要性做了一些歸納。

1 電離輻射對線粒體DNA的影響

細胞中的遺傳物質(zhì)主要集中在細胞核中的DNA，但在細胞內(nèi)除了細胞核，一些細胞器中也存在DNA，線粒體就是其中之一。線粒體中的DNA包含13個基因，分別編碼氧化呼吸鏈中的催化酶復合物（復合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ）、催化ATP合成的相關(guān)酶并參與調(diào)控細胞中的某些信號通路，從而參與細胞的新陳代謝[5]。因此，線粒體DNA發(fā)生突變勢必會導致各種疾病，如線粒體功能混亂性疾病、癌癥以及慢性疾病。

1.1 線粒體DNA比細胞核DNA更容易受到損傷

首先，線粒體DNA比細胞核DNA具有更多的共價修飾；其次，研究人員發(fā)現(xiàn)線粒體DNA更容易受到氧化損傷并且修復能力非常差[6]。因此，線粒體DNA是一個重要的活性氧靶標，當細胞受到電離輻射時，線粒體DNA比細胞核DNA更容易受到損傷。

從大鼠肝臟中分離出線粒體后直接使用γ射線照射，發(fā)現(xiàn)每單位質(zhì)量的線粒體DNA中8-羥基脫氧鳥苷酸的含量是細胞核DNA的6倍[7]。雖然線粒體DNA在細胞中占有非常小的比例，但所有線粒體DNA幾乎都編碼相關(guān)的蛋白。細胞核DNA雖然數(shù)量龐大，但其中編碼基因只占1%。當線粒體DNA編碼基因受到損傷時，生物效應更加容易凸顯出來。除此以外，線粒體中的DNA沒有組蛋白結(jié)合和有效的修復機制，使其更容易受到損傷[8]。

1.2 線粒體DNA缺失

當細胞損傷、衰老或者處于病理狀態(tài)時，線粒體DNA容易發(fā)生從8470 bp到13 446 bp[9]的缺失，這個常見的線粒體DNA缺失被稱作“ΔmtDNA4977刪除”或者“常見缺失”[10]。

實驗發(fā)現(xiàn)，人成纖維細胞系常見缺失水平為照射劑量0.1～10 Gy，照后72 h缺失顯著增加，同時還發(fā)現(xiàn)在劑量為0.05 Gy時人成纖維細胞系非常敏感[11]。但是，常見缺失和照射劑量之間并沒有表現(xiàn)出線性關(guān)系。照射后96 h，照射劑量0.005 Gy比5 Gy的細胞表現(xiàn)出更高頻率的常見缺失[12]。

纖維細胞系在受到0.1 Gy和2 Gy照射后，線粒體DNA的常見缺失在第7天開始出現(xiàn)，2 Gy照射后的纖維細胞系在14 d時常見缺失達到1.8倍，一直持續(xù)到第63天，該結(jié)果在低劑量0.1 Gy照射后也是一致的[11]。

1.3 線粒體DNA復制數(shù)目改變

在受到照射的肌肉和神經(jīng)細胞中發(fā)現(xiàn)，線粒體DNA復制的數(shù)目增加，而且在受到電離輻射的哺乳動物體內(nèi)其他組織和體外細胞中也出現(xiàn)了這種現(xiàn)象[13]。

體外研究發(fā)現(xiàn)，5 Gy γ射線照射后的HPV-G細胞線粒體DNA的復制數(shù)目明顯增加[14]。不同的細胞系在遭受電離輻射以后，線粒體DNA復制數(shù)目都有所增加，只是增加的程度不一樣而已[15]。

小鼠在受到3 Gy γ射線照射后，在其腦和脾臟等組織中也發(fā)現(xiàn)了線粒體DNA復制數(shù)目增加，并且受到γ射線照射后，在小鼠小腸和骨髓中也發(fā)現(xiàn)了線粒體DNA復制數(shù)目增加的現(xiàn)象[16]。在受到10 Gy X射線照射后1～72 h內(nèi)，小鼠的肝臟、骨骼肌和大腦的線粒體DNA復制數(shù)目均有增加。在人體細胞中也發(fā)現(xiàn)了同樣的結(jié)果，Wen等[17]研究發(fā)現(xiàn)，當患者接受全身射線治療時（4.5 Gy或者9 Gy的X射線），其細胞中的線粒體DNA復制數(shù)目平均增加兩倍。

受照后線粒體DNA復制數(shù)目增加的益處目前還沒有統(tǒng)一的定論，但普遍認為可能是DNA-蛋白復合物為了保護線粒體DNA免受活性氧的損害或替補受損的線粒體DNA。

2 電離輻射對線粒體中清除活性氧系統(tǒng)的影響

在正常的生理條件下，線粒體在進行有氧呼吸時，呼吸鏈上的電子傳遞體會漏掉一些電子從而產(chǎn)生活性超氧陰離子，而超氧陰離子正是所有活性氧的最初形式[18]。當細胞受到輻射時，線粒體是活性氧產(chǎn)生的主要部位，活性氧水平急劇升高，使線粒體持續(xù)處于氧化應激狀態(tài)。因此，輻射誘導線粒體產(chǎn)生的氧化應激是輻射研究領(lǐng)域的一個重要內(nèi)容。

2.1 對超氧化物歧化酶的活性影響

超氧化物歧化酶是生物體內(nèi)一種強效清除活性氧自由基的生物蛋白，它可以將產(chǎn)生的活性氧自由基轉(zhuǎn)化成活性較弱的過氧化氫，進而降解為無毒的其他小分子化合物。線粒體中的超氧化物歧化酶主要是錳超氧化物歧化酶，當用7.7 Gy的X射線照射小鼠心臟后，測試發(fā)現(xiàn)其只誘導線粒體中的錳超氧化物歧化酶的表達水平上升，對細胞質(zhì)中的其他兩種類型的超氧化物歧化酶沒有影響[19]。與此同時，人胚胎肝成纖維細胞隨著照射劑量和照射時間的增加細胞中線粒體的錳超氧化物歧化酶表達增加[20]。以上結(jié)果表明，受到照射后，線粒體對調(diào)節(jié)應答和細胞中的錳超氧化物歧化酶的表達有著重要的作用。

2.2 對線粒體有氧呼吸的影響

眾所周知，線粒體是有氧呼吸的主要場所，其合成的ATP維持著細胞中的各種生命活動，尤其是在心臟、骨骼肌和大腦等耗能多的組織器官中線粒體更是必不可少。然而輻射產(chǎn)生的活性氧自由基會對線粒體有氧呼吸鏈的蛋白造成一定的損傷，從而降低氧化磷酸化的效率，對細胞產(chǎn)生抑制甚至造成細胞凋亡。

2.3 呼吸鏈電子傳遞體復合物的變化

單獨給予牛心臟細胞中的線粒體50 Gy的γ射線照射，發(fā)現(xiàn)呼吸鏈中的復合物Ⅰ和Ⅲ的活性受到顯著的抑制[21]。同樣，對C57BL/6N小鼠心臟細胞中線粒體照射2 Gy X射線后4周發(fā)現(xiàn)，復合物Ⅰ活性只有32%，復合物Ⅲ活性只有13%，并且伴隨著活性氧水平的升高[22]。隨后有研究者發(fā)現(xiàn)，不同細胞系的線粒體受到照射后，一定時間內(nèi)都會出現(xiàn)不同程度地線粒體呼吸鏈復合物的活性降低。結(jié)果表明，呼吸鏈電子傳遞體復合物和ATP合成系統(tǒng)會直接受到電離輻射的損傷[23]。

3 電離輻射對線粒體和細胞核的整體影響

3.1 線粒體之間的損傷放大效應

除了受到電離輻射的線粒體會產(chǎn)生一些氧化應激反應之外，線粒體之間還有一些信號通路可以互相傳遞，從而放大輻射損傷效應。

細胞在受到輻射后，活性氧水平會顯著升高。受到輻射損傷的線粒體會改變通透性，將這一損傷通過Ca2+傳遞給鄰近的線粒體，然后導致活性氧水平的整體升高。因此，Ca2+作為傳遞信使，放大這一損傷信號，活性氧水平成倍地升高[24]。

3.2 線粒體和細胞核的損傷放大效應

線粒體狀態(tài)的改變會激活線粒體和細胞核之間的反向調(diào)節(jié)通路，將線粒體的損傷傳遞給細胞核。

Hela細胞的細胞質(zhì)被照射3 h后，就可以在細胞核中檢測到一個DNA損傷標志物-53BP1（p53-binding protein 1）病灶水平的升高，53BP1在細胞核被激活的5 min后即可檢測到。血漿中的電離輻射效應通過一個必要的通路對細胞核產(chǎn)生影響[25]。

3.3 電離輻射對線粒體的長期影響

當線粒體受到電離輻射損傷時，線粒體長期處于氧化應激狀態(tài)并對線粒體造成永久的損傷。在線粒體損傷水平，輻射敏感的人成纖維細胞系受到0.1～2 Gy的γ射線照射后，線粒體DNA的常見缺失在14 d達到第一個峰值，在照射后49 d達到第二個峰值然后一直持續(xù)到63 d時，并且這種損傷是永久、持續(xù)的，被稱為“輻射誘導線粒體基因組不穩(wěn)定[11]”?；蚪M不穩(wěn)定和過氧化氫引起的持續(xù)的氧化應激有密切關(guān)系。并且，遺傳物質(zhì)的不穩(wěn)定復制增強了呼吸鏈酶復合體Ⅱ的活性，增加了細胞的耗氧量。

電離損傷長期地損害線粒體，并導致線粒體內(nèi)活性氧的持續(xù)產(chǎn)生，并且這種活性氧作為一種信號會影響鄰近的線粒體，甚至是細胞核，從而產(chǎn)生大規(guī)模的長期損傷。

4 結(jié)論和展望

通過以上舉例論述，我們可以看出電離輻射對線粒體的損傷很嚴重并且是長期的大規(guī)模損傷，而且這種損傷會遺傳給子代細胞，尤其是線粒體DNA的常見缺失。

線粒體受到電離輻射后處于氧化應激狀態(tài)，這種氧化應激會促進線粒體功能的改變。當線粒體DNA損傷后，與有氧呼吸相關(guān)的蛋白活性下降，氧化呼吸會受到一定的抑制，與此同時會不斷地產(chǎn)生大量的活性超氧陰離子，不斷刺激線粒體氧化應激，并且將這種損傷的信號傳導給周圍的線粒體，造成級聯(lián)損傷反應，進而激活線粒體與細胞核的信號通路，使細胞核也處于氧化應激狀態(tài)，最后自由基的水平居高不下，對線粒體和細胞核的遺傳物質(zhì)DNA造成二次損傷。

線粒體DNA沒有組蛋白的保護且基本不具備修復能力，當受到外界的電離輻射時，常見缺失發(fā)生的頻率升高，并且會遺傳給子代。對于大規(guī)模的線粒體DNA損傷，線粒體通過增加DNA的復制數(shù)目間接地彌補損傷DNA的數(shù)量，維持線粒體DNA的正常功能，而這種應激形式的挽救會導致線粒體內(nèi)與有氧呼吸和ATP合成相關(guān)的蛋白表達升高，線粒體相關(guān)蛋白表達增多又會干擾正常的有氧呼吸，從而使活性氧的水平升高，導致線粒體和細胞核的長期損傷。

希望本文能為電離輻射損傷模型評價提供指導，線粒體作為電離輻射損傷的重要靶點，保護其不被損傷對維持細胞正常的生命活動有著重要的意義，而細胞核和線粒體之間的相互影響也說明我們只保護其中之一并不能解決電離損傷導致的細胞損傷的問題，維持二者都處在正常狀態(tài)，細胞才能行使正常生理功能。

利益沖突 本研究由署名作者按以下貢獻聲明獨立開展，不涉及任何利益沖突。

作者貢獻聲明 張宇睿負責文獻查詢和論文撰寫，徐文清負責論文的修改和論文的審閱。

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Damages of ionizing radiation on mitochondria

Zhang Yurui,Xu Wenqing
Tianjin Key Laboratory of Radiation Medicine and Molecular Nuclear Medicine,Institute of Radiation Medicine,Chinese Academy of Medical Sciences,Peking Union Medical College,Tianjin 300192,China Corresponding author：Xu Wenqing,Email：xuwenqing@irm-cams.ac.cn

The radiobiology hypothesis is widely accepted by people that damage to the nuclear DNA is the main cause for the effects of radiation.However,some studies shown that the extranulear adiation effects are also very important,especially for mitochondria which contains the coding DNA and mportant proteins.Mitochondria plays a very important role in oxidative stress and cell death after rradiation.Some experiments present the effects of ionizing radiation on the mitochondria.Here,we discussed the ionizing radiation how to influence the mitochondria.And authors summary some available esearch data that specific protection of mitochondria could reduce damage to healthy cells exposed to onizing radiation.

Radiation，ionizing；Mitochondria；Oxidative stress

徐文清，Email：xuwenqing@irm-cams.ac.cn

10.3760/cma.j.issn.1673-4114.2016.02.014

國家自然科學基金（81273005）；天津市應用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究重點項目14JCZDJC36400）；中國醫(yī)學科學院放射醫(yī)學研究所發(fā)展基金（SF1528）

2016-01-06）