能量代謝途徑相關(guān)基因變異與腫瘤細(xì)胞適應(yīng)性進(jìn)化

劉 佳, 孔慶鵬

(中國(guó)科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所 遺傳資源與進(jìn)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 云南昆明 650223)

腫瘤是機(jī)體在各種致癌因素作用下, 局部組織的某個(gè)或某些細(xì)胞失去生長(zhǎng)增殖的正常調(diào)控, 導(dǎo)致其克隆性異常增生而形成的贅生物 (Fialkow,1979)。腫瘤組織較正常組織代謝旺盛, 尤以惡性腫瘤更為明顯。在有氧條件下, 正常細(xì)胞一般通過線粒體呼吸鏈的氧化磷酸化來獲取能量, 而在缺氧時(shí)則主要依賴糖酵解。而腫瘤細(xì)胞即使在有氧條件下,也主要通過糖酵解獲取能量, 因此稱為“有氧糖酵解”(aerobic glycolysis)。由于該異?，F(xiàn)象是德國(guó)生理學(xué)家Otto Warburg首次在腫瘤細(xì)胞中所發(fā)現(xiàn), 因此也被稱為“Warburg效應(yīng)” (Warburg, 1956; Warburg et al, 1927; Warburn & Dickens, 1931), 并在隨后幾十年的腫瘤研究中被廣泛證實(shí)。

正常細(xì)胞的產(chǎn)能方式主要有兩種, 分別在有氧和無氧條件下進(jìn)行。無論何種方式, 每分子葡萄糖都要先進(jìn)入糖酵解途徑經(jīng)過一系列生化反應(yīng)后生成2分子丙酮酸、2分子ATP以及2分子NADH。在有氧條件下, 丙酮酸在丙酮酸脫氫酶復(fù)合體(pyruvate dehydrogenase complex, PDHC)的作用下生成乙酰輔酶 A(Acetyl-CoA), 進(jìn)入線粒體中進(jìn)行三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle, TCA cycle), 產(chǎn)生6分子的NADH和2分子的FADH2。通過糖酵解和TCA循環(huán), 其中產(chǎn)生的NADH和FADH2在線粒體內(nèi)膜上的呼吸鏈復(fù)合體上完成電子傳遞的過程, 最后共生成34～36分子的ATP。糖酵解產(chǎn)物丙酮酸經(jīng)過這種途徑(糖酵解+TCA 循環(huán))后可以充分的氧化分解營(yíng)養(yǎng)物質(zhì), 使葡萄糖的利用率達(dá)到最優(yōu)(1分子葡萄糖完全氧化可以生成 36～38分子的ATP)。在缺氧條件下, 丙酮酸在乳酸脫氫酶（lactate dehydrogenase, LDH)的作用下生成2分子乳酸和2分子 ATP, 明顯少于有氧條件下氧化磷酸化產(chǎn)生的ATP數(shù)量。而在腫瘤細(xì)胞中糖酵解產(chǎn)物丙酮酸即使在有氧條件下也主要生成乳酸而幾乎不進(jìn)入 TCA循環(huán)。腫瘤細(xì)胞的快速增殖本應(yīng)該需要更多的能量支持, 可產(chǎn)能效率并不高的糖酵解途徑卻是其主要產(chǎn)能方式, 這種能量代謝方式的轉(zhuǎn)變對(duì)于腫瘤細(xì)胞的增殖究竟起到了何種作用？鑒于能量產(chǎn)生是細(xì)胞生存及增殖所必須, 對(duì)該問題的研究探索有助于人們深入理解并詮釋腫瘤細(xì)胞的發(fā)生及發(fā)展機(jī)制。

早在 1976年就有人提出可以從進(jìn)化視角對(duì)腫瘤細(xì)胞的發(fā)展進(jìn)程進(jìn)行研究 (Nowell, 1976), 這是因?yàn)槟[瘤組織可以被看作是通過單克隆起源方式而形成的細(xì)胞群體 (Fialkow, 1979; Nowell, 1976)。因此, 腫瘤細(xì)胞群滿足廣義群體遺傳學(xué)中的“群體”概念, 從而可以利用群體遺傳學(xué)和分子進(jìn)化的研究策略來研究腫瘤的發(fā)生發(fā)展過程。事實(shí)上, 后期研究確實(shí)證實(shí)了腫瘤的形成遵循體進(jìn)化(somatic evolution)規(guī)律 (Crespi & Summers, 2005; Little,2010), 進(jìn)一步提示從分子進(jìn)化視角結(jié)合群體遺傳學(xué)手段研究腫瘤細(xì)胞演化規(guī)律及其機(jī)制的可行性,而近年來測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步及大量腫瘤基因組數(shù)據(jù)的涌現(xiàn)更使得該研究成為可能。

1 能量代謝方式的轉(zhuǎn)換是腫瘤細(xì)胞有效適應(yīng)微環(huán)境改變的基礎(chǔ)

腫瘤細(xì)胞的能量代謝主要依賴于有氧糖酵解，而不像正常細(xì)胞那樣采取氧化磷酸化來獲取能量,這種能量代謝的轉(zhuǎn)換是腫瘤細(xì)胞最顯著的十大特征之一 (Hanahan & Weinberg, 2011)。從能量需求和產(chǎn)能效率方面來看, 該轉(zhuǎn)變對(duì)于腫瘤細(xì)胞的生存似乎不合理, 因?yàn)槟[瘤細(xì)胞需要更多的能量來滿足其快速增殖的需求, 而糖酵解卻要消耗 18倍的葡萄糖才能與線粒體氧化磷酸化產(chǎn)生相同的能量。但如果考慮到腫瘤細(xì)胞的微環(huán)境, 這樣的轉(zhuǎn)變則并非沒有理由。事實(shí)上, 在腫瘤細(xì)胞快速增殖過程中, 原有的血管數(shù)量已經(jīng)不能滿足腫瘤自身生長(zhǎng)的需要,氧氣供應(yīng)嚴(yán)重不足, 而在缺氧條件下, 糖酵解卻能快速生成細(xì)胞增殖所需要的能量。與此同時(shí), 糖酵解途徑促使大量代謝中間產(chǎn)物進(jìn)入核苷酸和氨基酸生成等多種生物合成途徑, 產(chǎn)生的生物大分子亦是細(xì)胞器合成所必需, 有利于新生細(xì)胞的組裝(Vander Heiden et al, 2009)。近年來的研究發(fā)現(xiàn),這種能量代謝的轉(zhuǎn)換并非腫瘤細(xì)胞所特有, 而幾乎是所有快速增殖細(xì)胞的一個(gè)共性, 提示能量代謝方式的轉(zhuǎn)換是快速增殖細(xì)胞, 尤其是腫瘤細(xì)胞有效適應(yīng)微環(huán)境改變的基礎(chǔ) (Vander Heiden et al,2009)。

有趣的是, 腫瘤細(xì)胞周邊存在的缺氧微環(huán)境會(huì)激活缺氧誘導(dǎo)因子(HIF)蛋白家族并上調(diào)葡糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和糖酵解途徑的多種酶活性, 從而加劇對(duì)糖酵解的利用 (Bartrons & Caro, 2007), 直到血管生成后能夠提供足夠的氧氣。而之后細(xì)胞又進(jìn)入加速分裂時(shí)期再次導(dǎo)致缺氧, 這樣的惡性循環(huán)致使腫瘤細(xì)胞越長(zhǎng)越大, 甚至產(chǎn)生侵襲能力 (Cui et al, 2012)。因此, 那些能夠使腫瘤細(xì)胞獲得增殖優(yōu)勢(shì)、逃避機(jī)體免疫監(jiān)控或減少凋亡的突變, 都可能在其快速增殖過程中得以選擇性保留并在細(xì)胞群體中得以固定 (Crespi & Summers, 2006)。

2 腫瘤細(xì)胞中能量代謝方式發(fā)生轉(zhuǎn)變的可能原因

如前所述, 腫瘤細(xì)胞中能量獲取途徑發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)變, 主要靠糖酵解來產(chǎn)能。隨著研究的深入,人們逐漸發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞與正常細(xì)胞相比確實(shí)發(fā)生了很多生理改變, 如, 線粒體氧化磷酸化功能障礙(Lemarie & Grimm, 2011)以及細(xì)胞代謝酶譜改變(Moreno-Sánchez et al, 2007; Weinhouse, 1976)等。這些蛋白功能或表達(dá)的變化在基因水平的表現(xiàn)如何？隨著測(cè)序技術(shù)的發(fā)展, 在腫瘤細(xì)胞基因(組)上檢測(cè)到的大量突變, 為腫瘤能量代謝方式轉(zhuǎn)變機(jī)制的研究提供了更多的信息。

2.1 細(xì)胞有氧呼吸途徑功能損傷

早期的研究認(rèn)為腫瘤細(xì)胞能量代謝的改變, 可能是由有氧呼吸功能損傷所造成。腫瘤細(xì)胞快速增殖擴(kuò)張的過程需要消耗大量的能量, 而線粒體在細(xì)胞能量代謝、氧自由基產(chǎn)生甚至細(xì)胞凋亡中都起著重要作用 (DiMauro & Schon, 2003), 因此人們推測(cè)線粒體在腫瘤發(fā)生過程中可能扮演著重要的角色。特別是線粒體DNA（mitochondrial DNA, mtDNA)編碼了呼吸鏈上 13個(gè)重要的氧化磷酸化蛋白, 其突變率遠(yuǎn)高于核DNA, 并具有缺乏重組、高拷貝數(shù)等特點(diǎn), 這都使得 mtDNA與腫瘤的相關(guān)性受到廣泛關(guān)注。而近20年的相關(guān)研究也發(fā)現(xiàn), 幾乎所有腫瘤中都存在 mtDNA體細(xì)胞突變(somatic mutation)(Brandon et al, 2006; Chandra & Singh, 2011;Chatterjee et al, 2006; Kulawiec et al, 2010) (表 1)。

表1 已報(bào)道的具有mtDNA體細(xì)胞突變的腫瘤類型 (引自Liu et al, 2012)Tab. 1 Reported tumor types with mtDNA somatic mutations (Cited from Liu et al, 2012)

核基因編碼的呼吸鏈復(fù)合體蛋白也存在體細(xì)胞突變(主要發(fā)生在復(fù)合體 II的 SDHA, SDHB,SDHC, SDHD及SDHAF2基因), 且該突變會(huì)造成線粒體呼吸鏈損傷從而影響氧化磷酸化功能, 阻礙ATP生成, 而這也被認(rèn)為可能是致使腫瘤細(xì)胞產(chǎn)能途徑逐漸轉(zhuǎn)向糖酵解的一個(gè)原因 (Bardella et al,2011; Lemarie & Grimm, 2011)。Namslauer &Brzezinski (2009)發(fā)現(xiàn)線粒體細(xì)胞色素B（呼吸鏈復(fù)合體IV的核心酶)第125位上的甘氨酸突變?yōu)樘於彼岷髸?huì)顯著減弱該亞基的酶活(～30%), 從而降低線粒體呼吸鏈能量轉(zhuǎn)換的效率, 進(jìn)而導(dǎo)致復(fù)合體IV的質(zhì)子泄漏以及線粒體內(nèi)電化學(xué)梯度的不平衡,最終影響腫瘤生長(zhǎng)。

作為TCA循環(huán)催化酶的異檸檬酸脫氫酶(IDH),其編碼基因在腫瘤細(xì)胞中也存在一些能夠影響IDH功能的體細(xì)胞突變。正常情況下, IDH催化異檸檬酸生成 α酮戊二酸(α-KG), 且 TCA循環(huán)呈環(huán)狀反應(yīng)。當(dāng)IDH突變后, 異檸檬酸不能生成α-KG, 循環(huán)中斷, 而谷氨酰胺酶 2(GLS2)活性增加, 促進(jìn)谷氨酰胺生成α-KG以補(bǔ)充TCA循環(huán)中α-KG的不足,使TCA成為線性反應(yīng)。反應(yīng)在檸檬酸終止時(shí), 大量堆積的檸檬酸可用于合成脂類。IDH的這種失去功能的突變也導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)大量的TCA中間產(chǎn)物堆積,非常有利于生物大分子的合成。另外, IDH1和IDH2特定氨基酸位點(diǎn)的突變可使其獲得新的酶活性, 這些突變?cè)谏窠?jīng)膠質(zhì)瘤和急性骨髓性白血病中非常常見, 如IDH1蛋白的132位氨基酸以及IDH2蛋白的172和140位氨基酸的突變, 使得IDH獲得新活性, 可將 α-KG 轉(zhuǎn)化成羥戊二酸(2-HG)并消耗NAPDH (Dang et al, 2010; Gross et al, 2010; Sellner et al, 2010; Ward et al, 2010)。而這些產(chǎn)生2-HG的IDH突變可以通過抑制組蛋白甲基化, 對(duì)腫瘤細(xì)胞全基因組水平的甲基化進(jìn)行調(diào)控, 從而進(jìn)一步調(diào)控細(xì)胞分化 (Duncan et al, 2012; Lu et al, 2012)。在神經(jīng)膠質(zhì)瘤中, IDH1 132位氨基酸由精氨酸到組氨酸的突變＞90%, 而在急性骨髓性白血病、黑素瘤及前列腺癌中也都發(fā)現(xiàn)有 IDH1和 IDH2的突變(Ghiam et al, 2012; Lian et al, 2012; Sellner et al,2010; Ward et al, 2010; Yan et al, 2009)。IDH的這些突變?cè)谀[瘤細(xì)胞適應(yīng)其微環(huán)境中發(fā)揮重要作用, 可使 TCA循環(huán)中間產(chǎn)物如檸檬酸、乙酰輔酶 A及NADH/FADH2大量積累、ATP產(chǎn)生迅速增加并為新生細(xì)胞提供足夠的生物大分子及養(yǎng)料。盡管如此,這些研究仍未能澄清編碼呼吸鏈復(fù)合體核基因的突變與腫瘤細(xì)胞能量代謝方式轉(zhuǎn)換的因果關(guān)系。

2.2 腫瘤細(xì)胞代謝酶譜發(fā)生改變

近些年來腫瘤細(xì)胞酶譜的改變?cè)谠S多研究中被證實(shí), 例如, 研究發(fā)現(xiàn)癌基因(如 AKT, c-Myc,ErbB2及 RAS等)和抑癌基因(如 PTEN及 P53等)的異常表達(dá)均可增加糖酵解酶活性或/和抑制三羧酸循環(huán)酶活性, 導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞代謝重新編程 (Hsu& Sabatini, 2008; Jiang et al, 2011; Koppenol et al,2011; Kroemer & Pouyssegur, 2008)。Fantin et al(2006)發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞中呼吸鏈并未損傷, 而是其糖酵解通路中乳酸脫氫酶(催化丙酮酸到乳酸的反應(yīng))活性顯著增加, 使得腫瘤細(xì)胞傾向于使用糖酵解供能。Cai et al (2010)的研究發(fā)現(xiàn)抑制乳酸脫氫酶活性,刺激丙酮酸脫氫酶活性(催化丙酮酸到乙酰Co-A的反應(yīng)), 可以有效的增強(qiáng)呼吸鏈氧化磷酸化作用, 抑制腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)。

腫瘤細(xì)胞中有氧糖酵解的產(chǎn)生與原癌基因的激活(獲得功能)以及抑癌基因的突變(喪失功能)有著密切的關(guān)系。原癌基因和抑癌基因在維持正常細(xì)胞生理功能過程中均具有關(guān)鍵的調(diào)控作用, 它們的改變對(duì)細(xì)胞代謝有著深刻的影響, 實(shí)際上幾乎在所有的腫瘤細(xì)胞中均能找到原癌基因或抑癌基因突變的印記。

正常細(xì)胞主要的三條葡萄糖代謝途徑均受到 P53的嚴(yán)格調(diào)控(圖 1)：(1) 葡萄糖通過糖酵解途徑生成 ATP和乳酸; (2) 葡萄糖通過戊糖磷酸途徑生成核糖 5磷酸和 NAPDH; (3) 葡萄糖通過糖酵解生成丙酮酸后生成乙酰輔酶 A進(jìn)入線粒體 TCA循環(huán)。在葡萄糖氧化途徑中衍生的檸檬酸進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)后加工成乙酰輔酶A用于脂類合成, 草酰乙酸用于氨基酸以及α-KG合成。首先, P53可抑制糖酵解效率, 通過抑制葡糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(GLUT)降低細(xì)胞對(duì)葡萄糖的攝入 (Hu et al, 2010), 抑制磷酸變位酶(PGM)以控制糖酵解速率, 并且誘導(dǎo)TIGAR(TP53誘導(dǎo)的糖酵解和凋亡調(diào)節(jié)蛋白)轉(zhuǎn)錄,TIGAR抑制磷酸果糖激酶2(PFK2)降低細(xì)胞內(nèi)果糖2, 6二磷酸水平 (Bensaad et al, 2006), 進(jìn)而降低糖酵解水平。其次, P53抑制葡糖 6磷酸脫氫酶(G6PDH)活性, 降低戊糖磷酸途徑效率。再者, P53促進(jìn)細(xì)胞色素 C氧化酶 2(SCO2)和谷氨酰胺酶2(GLS2)以促進(jìn)線粒體氧化磷酸化效率 (Assaily &Benchimol, 2006)。

圖1 P53在能量代謝通路中的作用Fig. 1 The role of P53 in energy metabolism pathway縮寫及英文釋義(abbreviations)：Glucose 葡萄糖; Glucose-6-p 葡萄糖6磷酸; Fructose-6-p 果糖6磷酸; Fructose-2,6-biP/ Fructose-2,6-biphosphate 果糖2, 6二磷酸; Pyruvate 丙酮酸; Lactate 乳酸; Ribosome-5- phosphate 核糖5磷酸; Acetyl-CoA 乙酰輔酶A; Citrate 檸檬酸; α–KG α酮戊二酸; Glutamine 谷氨酰胺; Glutamate 谷氨酸; GLUT 葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白; TIGAR TP53誘導(dǎo)的糖酵解和凋亡調(diào)節(jié)蛋白; PFK1 磷酸果糖激酶1; PFK2 磷酸果糖激酶2; PGM 磷酸變位酶; LDH乳酸脫氫酶; PDHC 丙酮酸脫氫酶復(fù)合體; Glycolysis 糖酵解; PPP 戊糖磷酸途徑; Glutaminolysis 谷氨酰胺代謝; OXPHOS 氧化磷酸化。

P53除通過以上幾種方式直接作用于能量代謝通路,在正常細(xì)胞中抑制有氧糖酵解的產(chǎn)生外, 還能夠通過影響多個(gè)信號(hào)通路的復(fù)雜網(wǎng)狀系統(tǒng)調(diào)控細(xì)胞代謝 (Cairns et al, 2011)。P53下游的四個(gè)抑癌基因PTEN、IGF-BP3、TSC2以及 AMPK均可抑制PI3K/AKT和mTOR通路活性, 減緩細(xì)胞生長(zhǎng)并逆轉(zhuǎn)細(xì)胞的腫瘤表型 (Feng & Levine, 2010)。同時(shí)肝激酶 LKB1也可通過 AMPK抑制 mTOR活性(Shackelford & Shaw, 2009)。除了減緩細(xì)胞生長(zhǎng), 依賴P53抑制的mTOR還可促進(jìn)細(xì)胞自噬, 起到防止腫瘤發(fā)生的作用 (Feng & Levine, 2010)。

人類腫瘤中P53突變?yōu)椤?0%, 其失活使得原先受到嚴(yán)格調(diào)控的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)生動(dòng)搖, 致使很多能量代謝相關(guān)酶的表達(dá)量發(fā)生變化 (Cairns et al,2011)。P53突變可使GLUT表達(dá)顯著增加, 葡萄糖大量進(jìn)入細(xì)胞 (Hu et al, 2010), TIGAR轉(zhuǎn)錄受到抑制, 造成PFK2活性增加, 糖酵解效率顯著增加, 大量丙酮酸生成乳酸和ATP (Jiang et al, 2011), 這時(shí)ATP的生產(chǎn)要比線粒體氧化磷酸化迅速得多, 這就滿足了增殖細(xì)胞對(duì)能量的快速需求。與此同時(shí), 糖酵解過量導(dǎo)致中間代謝產(chǎn)物堆積, 葡糖-6-磷酸和果糖-6-磷酸都可進(jìn)入戊糖磷酸途徑, 其產(chǎn)物 NADPH和核糖5磷酸的產(chǎn)量大大增加。其中, 核糖5磷酸用于合成核苷酸, NAPDH是細(xì)胞內(nèi)維持氧化還原水平的重要因子, 同時(shí)線粒體的氧化磷酸化受到抑制, 產(chǎn)能依賴糖酵解 (Jiang et al, 2011)。因此, 當(dāng)P53發(fā)生突變失活后, 細(xì)胞內(nèi)這些嚴(yán)格控制的平衡(內(nèi)穩(wěn)態(tài))就會(huì)被打破, 細(xì)胞發(fā)生代謝轉(zhuǎn)變, 這也是導(dǎo)致能量代謝途徑發(fā)生轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。除了 P53, 其它一些癌基因(如RAS及MYC等) (Gao et al, 2009;Shim et al, 1997; Yun et al, 2009)或抑癌基因(如VHL及mTOR等) (Kaelin, 2002; Zoncu et al, 2011)也可通過類似途徑作用于細(xì)胞內(nèi)單個(gè)或多個(gè)信號(hào)通路來調(diào)控代謝。有意思的是, 這些基因有一個(gè)共同的特點(diǎn), 即其調(diào)控范圍非常廣泛, 這可能也就是為什么在人體正常細(xì)胞中這些基因要比其它基因受到更強(qiáng)的純凈化選擇作用 (Thomas et al, 2003)。那些對(duì)腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)增殖具有明顯優(yōu)勢(shì)的癌基因或抑癌基因突變, 在腫瘤細(xì)胞克隆增殖過程中可能被選擇性保留下來, 不斷促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)增殖(Crespi & Summers, 2005, 2006)。

3 基于進(jìn)化視角研究腫瘤細(xì)胞能量代謝方式的轉(zhuǎn)變機(jī)制

腫瘤通過單克隆方式起源, 且遵循體進(jìn)化模式,因此通過分子進(jìn)化的角度來研究腫瘤細(xì)胞的發(fā)生及發(fā)展, 可更深刻地理解能量生產(chǎn)轉(zhuǎn)換對(duì)其在體內(nèi)對(duì)微環(huán)境適應(yīng)的重要作用。具體而言, 腫瘤細(xì)胞具有的大量體細(xì)胞突變、表觀遺傳改變以及基因組不穩(wěn)定性, 為其快速進(jìn)化提供了不可或缺的原材料。腫瘤細(xì)胞在其克隆性增殖的過程中, 不僅要快速適應(yīng)微環(huán)境（例如缺氧）的激烈改變, 更要與正常細(xì)胞爭(zhēng)奪有限的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。而糖酵解可以不需耗氧就能快速產(chǎn)生 ATP, 并提供給細(xì)胞大量的用于新細(xì)胞合成的生物大分子, 這很可能是腫瘤細(xì)胞在快速增殖過程中有效應(yīng)對(duì)缺氧微環(huán)境并實(shí)現(xiàn)對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的重要方式 (Vander Heiden et al, 2009)。當(dāng)然, 那些能夠使腫瘤細(xì)胞獲得生存優(yōu)勢(shì)(細(xì)胞快速增殖、能量生產(chǎn)快、需氧量小、逃避衰老和凋亡、逃避機(jī)體免疫細(xì)胞捕殺以及更快的吸收與利用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì))的基因突變或表觀遺傳改變等都可通過正選擇作用迅速在細(xì)胞群體中固定下來, 使腫瘤細(xì)胞在氧氣及養(yǎng)料非常匱乏的微環(huán)境中也能快速增殖(Crespi & Summers, 2005, 2006)。

目前在腫瘤mtDNA上發(fā)現(xiàn)的大量體細(xì)胞突變頻率遠(yuǎn)大于核基因, 但這些突變對(duì)腫瘤發(fā)生的作用未能達(dá)成共識(shí)。一種觀點(diǎn)認(rèn)為, 這些突變很可能導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞線粒體呼吸鏈功能出現(xiàn)障礙, 進(jìn)而促使腫瘤細(xì)胞采用糖酵解來提供能量。功能實(shí)驗(yàn)也證實(shí),一些mtDNA突變的確會(huì)導(dǎo)致線粒體氧化磷酸化水平或活性氧(reactive oxygen species, ROS)產(chǎn)量發(fā)生改變 (Gómez-Durán et al, 2010; Moreno-Loshuertos et al, 2006)。但這仍未能澄清“mtDNA突變究竟是腫瘤細(xì)胞能量代謝方式發(fā)生轉(zhuǎn)換的原因還是結(jié)果”這一根本問題。而另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為, mtDNA突變的發(fā)生很可能只是一種能量代謝方式轉(zhuǎn)換的副產(chǎn)品。因?yàn)槟[瘤細(xì)胞主要通過糖酵解而非線粒體氧化磷酸化來獲取能量, 伴隨有氧代謝通路在腫瘤細(xì)胞中的作用降低, 其受到的功能限制(functional constraints)減弱, 從而導(dǎo)致其相關(guān)基因(尤其是突變速率很快的 mtDNA)更容易發(fā)生突變 (Liu et al,2012)。

基于這兩種對(duì)立的觀點(diǎn), 從分子進(jìn)化視角進(jìn)行研究或許能有助于澄清該問題。近期, Zhidkov et al(2009)的研究發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞mtDNA的體細(xì)胞突變并非隨機(jī)分布于線粒體基因組, 而是與人類群體中mtDNA單倍型類群（haplogroup, 即來自最近共同祖先的所有單倍型的集合, 其主要特征為共享多個(gè)突變）的突變模式（motif）非常相似, 因此推測(cè)這種模式的形成是由于腫瘤中的mtDNA受到類似于正選擇(positive selection)作用, 且有利于腫瘤細(xì)胞對(duì)微環(huán)境的適應(yīng)。然而該觀點(diǎn)并未得到隨后研究的證實(shí), 相反,這些研究顯示腫瘤細(xì)胞mtDNA并未受到正選擇作用, 而很可能是經(jīng)受了選擇壓力放松(relaxation of purify selection) (Liu et al, 2012;Stafford & Chen-Quin, 2010)。我們進(jìn)一步的分析顯示, 該矛盾是由于Zhidkov et al (2009)研究中所引用的數(shù)據(jù)質(zhì)量所致 (Liu et al, 2012)。通過對(duì)廣泛收集的已發(fā)表的各種腫瘤mtDNA全序1 054條與3639條來自一般人群的線粒體全基因組序列比較后發(fā)現(xiàn), 兩者受到的選擇壓力存在著明顯差異。其中,腫瘤mtDNA突變中非同義突變/同義突變 [number of nonsynonymous substitution/number of synonymous substitution (N/S)] 的比值顯著高于一般人群, 腫瘤mtDNA體細(xì)胞突變?cè)诰€粒體基因組上呈現(xiàn)一種接近完全隨機(jī)的分布模式(圖 2)。該結(jié)果進(jìn)一步表明,腫瘤mtDNA的突變模式更可能是選擇壓力放松的結(jié)果, 且該現(xiàn)象在不同類型腫瘤中幾乎一致 (Liu et al, 2012)。顯然, 導(dǎo)致該現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因很可能就是由于腫瘤細(xì)胞能量代謝方式的轉(zhuǎn)變, 使得有利于細(xì)胞快速產(chǎn)能并大量生產(chǎn)生物大分子的糖酵解途徑作用增強(qiáng), 而高耗氧且產(chǎn)能速率低的(盡管效率很高)有氧呼吸途徑功能則發(fā)生降低, 而此作用在突變速率較高的mtDNA上表現(xiàn)得尤為明顯。

腫瘤細(xì)胞 mtDNA的研究提示, 發(fā)生于呼吸鏈編碼基因的突變對(duì)于腫瘤細(xì)胞來說很可能只是腫瘤細(xì)胞能量代謝方式轉(zhuǎn)換的結(jié)果。但是否是由于細(xì)胞代謝酶譜的改變?cè)谶@個(gè)轉(zhuǎn)變中起著更重要的作用, 還需要更全面深入的研究。顯然, 從進(jìn)化視角將有助于更好地理解基因變異在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用, 也對(duì)腫瘤的基因靶向治療提供更為準(zhǔn)確的依據(jù)。

4 小結(jié)

圖2 癌癥線粒體DNA體細(xì)胞突變分布模式圖(引自Liu et al, 2012)Fig. 2 Distribution of the observed cancerous mtDNA somatic mutations (Cited from Liu et al, 2012)每個(gè)圓圈表示一個(gè)突變（Each circle represents one mutation in the corresponding region of mtDNA）。

腫瘤細(xì)胞對(duì)糖酵解途徑的依賴, 不但能夠滿足其快速生長(zhǎng)及增殖過程中的大量能量需求, 同時(shí)還能提供細(xì)胞合成的生物大分子物質(zhì)。因此, 腫瘤細(xì)胞能量代謝途徑的轉(zhuǎn)變(有氧呼吸→糖酵解)很可能是腫瘤細(xì)胞有效適應(yīng)缺氧等微環(huán)境劇變并滿足快速增殖需求的一個(gè)主要原因。然而, 在腫瘤細(xì)胞能量代謝途徑的轉(zhuǎn)變過程中, 目前尚不完全清楚到底是哪些遺傳變化起到了至關(guān)重要的推動(dòng)作用(driver), 而哪些變異僅僅是由于功能轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生的結(jié)果(passenger)。盡管之前的研究提示, 腫瘤細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的絕大部分mtDNA體細(xì)胞突變很可能都只是其能量代謝方式轉(zhuǎn)換的結(jié)果 (Liu et al, 2012)。但鑒于mtDNA僅編碼線粒體氧化磷酸化復(fù)合體中的13個(gè)蛋白, 而能量代謝途徑(包括糖酵解、TCA循環(huán)和氧化磷酸化等)其他相關(guān)蛋白均由核 DNA(nDNA)所編碼, 進(jìn)一步解析能量代謝途徑相關(guān)核基因的突變模式將是詮釋其能量代謝方式轉(zhuǎn)變可能機(jī)制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。而從分子進(jìn)化的角度, 開展腫瘤細(xì)胞能量代謝相關(guān)基因（mtDNA和nDNA）的突變模式及其選擇壓力等分析, 通過揭示可能存在的腫瘤細(xì)胞適應(yīng)性進(jìn)化的遺傳印記, 澄清相關(guān)遺傳變化在能量代謝方式改變(有氧呼吸→糖酵解)過程中的作用,將為詮釋腫瘤細(xì)胞產(chǎn)能方式的轉(zhuǎn)變機(jī)制及深入理解腫瘤的發(fā)生機(jī)制提供新的視角和證據(jù)。