重新認(rèn)識(shí)線粒體代謝關(guān)鍵酶與腫瘤的關(guān)系*

徐亞娟 丘曉奕 季 鵬 汪海濤 薛秀花 楊 瓊* 趙麗輝***

（1 吉林省腫瘤醫(yī)院 吉林長(zhǎng)春 130012 2 北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 北京 100875 3 長(zhǎng)春理工大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院 吉林長(zhǎng)春 130022 4 中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院第一附屬醫(yī)院 北京 100048）

1926年Warburg 發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞甚至在有氧條件下也主要以糖酵解的方式產(chǎn)生大部分腺嘌呤核苷三磷酸（ATP），從能量代謝的角度為腫瘤治療提供新的思路。對(duì)腫瘤細(xì)胞代謝與生長(zhǎng)調(diào)控的關(guān)系研究，為分子靶向、抑制劑甚至醫(yī)療成像引導(dǎo)工具的開發(fā)，提供了理論基礎(chǔ)［1］。由于局部血管系統(tǒng)不能提供足夠的氧氣，快速生長(zhǎng)的腫瘤容易變得缺氧，線粒體產(chǎn)生的ATP 在腫瘤細(xì)胞的供能系統(tǒng)中所占比例較低。但線粒體在促進(jìn)細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化、增殖、逃避凋亡檢測(cè)及轉(zhuǎn)移擴(kuò)散等方面起到關(guān)鍵的作用［2］。線粒體產(chǎn)生活性氧（ROS），參與許多生理過程的調(diào)節(jié)。正常表達(dá)量的ROS 能通過蛋白磷酸化/去磷酸化、利用相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子及環(huán)鳥苷酸等相關(guān)途徑參與細(xì)胞增殖、分化、凋亡等相關(guān)信息的轉(zhuǎn)導(dǎo)。正常細(xì)胞的供能依賴葡萄糖的分解代謝，而腫瘤細(xì)胞通常依賴葡萄糖和谷氨酰胺，線粒體協(xié)調(diào)二者的平衡［3］。線粒體代謝關(guān)鍵酶抑制劑的開發(fā)和研究顯示了靶向線粒體的潛力［4］。調(diào)節(jié)線粒體代謝相關(guān)酶的活性，以調(diào)控腫瘤細(xì)胞糖酵解和氧化磷酸化的關(guān)系，是靶向治療的新思路。本綜述討論線粒體在腫瘤發(fā)生發(fā)展進(jìn)程中的關(guān)鍵性作用，并從線粒體代謝關(guān)鍵酶的角度討論靶向線粒體治療腫瘤的潛力。

1 腫瘤細(xì)胞的線粒體與糖酵解

缺氧誘導(dǎo)因子（HIF）是一種調(diào)控多種缺氧誘導(dǎo)基因表達(dá)的中樞轉(zhuǎn)錄因子，在調(diào)節(jié)腫瘤侵襲、轉(zhuǎn)移、血管生成和抗化療抗輻射等方面發(fā)揮著重要作用［5］。線粒體在缺氧條件下不能提供足夠的ATP 用于細(xì)胞存活，腫瘤細(xì)胞必須上調(diào)糖酵解途徑，HIF 在這一過程中起重要作用。在腫瘤細(xì)胞中還發(fā)現(xiàn)，激活磷酸肌醇3-激酶（PI3K）及其下游靶向分子絲氨酸蘇氨酸激酶（AKT，也稱為PKB）也可刺激糖酵解，它們參與了從各種細(xì)胞表面受體傳遞存活信號(hào)的途徑。線粒體本身也可觸發(fā)缺氧誘導(dǎo)因子1（HIF-1）及AKT 的激活。當(dāng)腫瘤細(xì)胞中線粒體呼吸下調(diào)時(shí)，三羧酸循環(huán)（TCA）底物的積累可能作為刺激糖酵解的信號(hào)。當(dāng)快速生長(zhǎng)的腫瘤將其ATP 產(chǎn)生轉(zhuǎn)移到糖酵解時(shí)，線粒體活性降低，線粒體消耗氧氣減少，ATP 產(chǎn)量下降。一些腫瘤氧化磷酸化機(jī)制的研究發(fā)現(xiàn)，線粒體ATP 合成酶（β-F1-ATPase）的催化亞單位下調(diào)，且表達(dá)水平與有氧糖酵解的速率成反比。此外，寡核苷酸在肺癌中抑制氧化磷酸化顯示可引發(fā)有氧糖酵解的快速增加。這一發(fā)現(xiàn)表明，由于抑制線粒體能量的產(chǎn)生，腫瘤細(xì)胞得以糖酵解。當(dāng)糖酵解被抑制時(shí)，腫瘤細(xì)胞不能充分上調(diào)線粒體氧化磷酸化，表明部分線粒體功能損傷［6］。

2 腫瘤細(xì)胞線粒體代謝的改變

代謝改變是腫瘤細(xì)胞的一個(gè)重要特征和標(biāo)志。線粒體是許多細(xì)胞代謝途徑中重要的參與者，包括TCA 循環(huán)、游離脂肪酸β-氧化、支鏈氨基酸分解代謝和類固醇生成等［7］。腫瘤細(xì)胞擴(kuò)增需要大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)作為核酸、脂、蛋白質(zhì)合成反應(yīng)的能量來源和前體。S-腺苷蛋氨酸（SAM）是合成核苷酸、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和谷胱甘肽的關(guān)鍵，由單碳代謝（葉酸和蛋氨酸循環(huán)結(jié)合）產(chǎn)生，它在腫瘤中異常表達(dá)［8］。SAM 被DNA 和組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶分別用于DNA 和組蛋白尾的氨基酸甲基化，這可能有助于在營(yíng)養(yǎng)缺乏時(shí)維持單碳代謝。TCA 循環(huán)幾乎是連接所有單個(gè)代謝途徑的最重要的中樞通路，檸檬酸可進(jìn)入TCA 循環(huán)供能，或在細(xì)胞質(zhì)中擴(kuò)散還原為草酰乙酸和乙酰輔酶A，從而進(jìn)入脂質(zhì)合成。Schlaepfer I R 等［9］的小鼠實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，靶向阻斷前列腺癌脂類分解代謝，可抑制小鼠體內(nèi)前列腺癌腫瘤生長(zhǎng)。腫瘤細(xì)胞從葡萄糖中提取的丙酮酸優(yōu)先轉(zhuǎn)向生產(chǎn)乳酸，草乙酸酯和乙酰輔酶A 通過丙酮酸或聯(lián)手線粒體重組檸檬酸惡性循環(huán)改變以產(chǎn)生乳酸。同時(shí)檸檬酸已表現(xiàn)出參與對(duì)化療、腫瘤抑制藥物的腫瘤抗性增強(qiáng)。乳酸對(duì)TCA 循環(huán)周期中間體的貢獻(xiàn)大于葡萄糖，乳酸是大多數(shù)組織和腫瘤中主要的循環(huán)TCA 底物。Andrea Viale 等［10］研究發(fā)現(xiàn)，癌基因消融而處于休眠狀態(tài)的潛伏性腫瘤細(xì)胞想要存活并誘導(dǎo)腫瘤復(fù)發(fā)，必須依賴于氧化磷酸化產(chǎn)生能量才能生存。這使得腫瘤細(xì)胞對(duì)營(yíng)養(yǎng)缺乏和環(huán)境壓力更有抵抗力。

3 線粒體代謝關(guān)鍵酶

正常代謝的小分子成分（或?qū)τ丑w）積累導(dǎo)致信號(hào)失調(diào)，從而建立致癌的環(huán)境［11］，線粒體代謝關(guān)鍵酶的突變?cè)诖诉^程起重要作用（圖1）。在人腫瘤細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了核編碼的三羧酸循環(huán)（TCA）中異檸檬酸脫氫酶（IDH）、琥珀酸脫氫酶（SDH）、富馬酸水合酶（FH）等突變。在彌漫性膠質(zhì)瘤和繼發(fā)性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中，IDH 1 突變被認(rèn)為是最早可檢測(cè)到的基因改變之一。AML 中的IDH 突變與TET2 甲基胞嘧啶羥化酶中的失活突變相互排斥，暗示突變IDH 可能作為表觀遺傳重塑的真正驅(qū)動(dòng)因子［12］。此外，體內(nèi)正常造血細(xì)胞IDH 1 等位基因的突變引發(fā)靶細(xì)胞譜系的異常擴(kuò)增［13］。IDH 1 參與檸檬酸循環(huán)，將異檸檬酸轉(zhuǎn)化為α-酮戊二酸鹽 （α-KG），突變型IDH 1 則將α-KG 轉(zhuǎn)化為2-羥基戊二酸（2-HG）。由于與α-酮戊二酸的結(jié)構(gòu)相似性，2-HG 充當(dāng)α-酮戊二酸依賴性雙加氧酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑。例如2-HG 具有抑制脯氨酰羥化酶（PHD）的作用，PHD 對(duì)HIF 的降解被抑制導(dǎo)致HIF-1α 的激活。2-HG 也抑制TET 酶［ten-eleven translocation，是生物體內(nèi)存在的一種α-酮戊二酸（α-KG）和Fe2+依賴的雙加氧酶］和組蛋白甲基化酶，導(dǎo)致去甲基過程受阻，腫瘤細(xì)胞CpG 島高甲基化表型。FH 和SDH 中功能缺失突變可通過產(chǎn)生琥珀酸鹽的積累而類似地起作用，琥珀酸鹽也會(huì)拮抗這些α-酮戊二酸依賴性雙加氧酶的功能。FH 的喪失和富馬酸鹽的積累在遺傳性平滑肌瘤存在，提示線粒體代謝酶在常見腫瘤發(fā)病機(jī)制的重要性［14］。在腎癌細(xì)胞中FH 基因突變導(dǎo)致胞內(nèi)富馬酸的積累，富馬酸水平升高參與包括抑制抗腫瘤因子、激活致癌HIF 信號(hào)通路等相關(guān)腫瘤發(fā)展過程。富馬酸也可通過琥珀酸直接修飾半胱氨酸殘基形成2-琥珀酸半胱氨酸，從而抑制烏頭酸酶活性表達(dá)，引起代謝改變［15］。SDH的雙等位基因丟失在家族性副神經(jīng)節(jié)瘤和散發(fā)性胃腸道間質(zhì)瘤中存在，會(huì)產(chǎn)生琥珀酸的積聚，對(duì)腫瘤發(fā)生有潛在的中心作用［16］。

圖1 線粒體代謝關(guān)鍵酶突變的作用途徑

4 線粒體其他酶

線粒體烏頭酸酶催化檸檬酸鹽的立體定向異構(gòu)化為異檸檬酸鹽，檸檬酸介于糖酵解和脂肪酸合成的中間環(huán)節(jié)，是能量產(chǎn)生關(guān)鍵的調(diào)節(jié)器。近年來的研究闡明，胰腺癌與TCA 循環(huán)相關(guān)的順-烏頭酸和異檸檬酸的代謝改變有相關(guān)性，可作為胰腺癌患者新的預(yù)后指標(biāo)［17］。α-酮戊二酸脫氫酶通過影響煙酰胺腺嘌呤二核苷酸的還原態(tài)（NADH）和ROS 的表達(dá)水平以平衡線粒體氧化還原狀態(tài)，并引導(dǎo)TCA 代謝物通量向能量合成和信號(hào)通路的方向發(fā)展。α-酮戊二酸脫氫酶活性的變化及線粒體生物能量學(xué)的變化，不僅可能影響細(xì)胞周期通量，而且可能被放大，最終導(dǎo)致復(fù)雜的代謝和表觀遺傳重構(gòu)［18］。有研究表明，在多種腫瘤細(xì)胞系中，蘋果酸脫氫酶1 與谷氨酰胺的碳生成蘋果酸鹽，替代乳酸脫氫酶（LDH）在增殖過程中再生煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD），從而加速糖酵解的過程以維持細(xì)胞增殖所需要的能量［19］。這些參與線粒體代謝的關(guān)鍵酶在腫瘤細(xì)胞中的異常表達(dá)，對(duì)尋找腫瘤臨床診療的靶點(diǎn)具有重大指導(dǎo)意義。

5 總結(jié)

自從20世紀(jì)80年代分子生物學(xué)的出現(xiàn)和致病性線粒體DNA 缺陷的發(fā)現(xiàn)以來，研究進(jìn)展揭示了許多常見的人類疾病，這些疾病都與線粒體功能障礙有關(guān)。線粒體功能紊亂和線粒體內(nèi)穩(wěn)態(tài)紊亂在腫瘤等疾病的病理生理過程中起著重要的作用。線粒體能量代謝是細(xì)胞產(chǎn)能的核心途徑，并滿足其生物能量、生物合成和氧化還原平衡要求。盡管早期認(rèn)為腫瘤細(xì)胞繞過TCA 循環(huán)并主要利用有氧糖酵解，但新的證據(jù)表明，某些腫瘤細(xì)胞嚴(yán)重依賴于TCA 循環(huán)產(chǎn)生的能量和大分子。人類多種腫瘤中顯示線粒體代謝關(guān)鍵酶突變。隨著代謝酶研究領(lǐng)域逐漸深入，異常TCA 循環(huán)功能在腫瘤發(fā)生中的重要性及應(yīng)用小分子抑制劑干擾腫瘤治療增強(qiáng)循環(huán)功能的潛力開始發(fā)展。