線粒體分裂在惡性膠質(zhì)瘤中的研究進(jìn)展*

周 紅，阮 英，吳 喆，吳紅年**

(1.湖北科技學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院人體解剖學(xué)教研室，湖北 咸寧 437100；2.湖北科技學(xué)院附屬第二醫(yī)院皮膚科；3.湖北科技學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院組織學(xué)與胚胎學(xué)教研室)

線粒體是細(xì)胞的中心細(xì)胞器，能夠完成許多基本的細(xì)胞功能，包括氧化磷酸化(Oxphos)、活性氧(Ros)產(chǎn)生、鈣(Ca2+)信號(hào)傳導(dǎo)，以及細(xì)胞生長(zhǎng)和運(yùn)動(dòng)所需的中間代謝物合成[1-2]。研究表明，線粒體也是一種動(dòng)態(tài)細(xì)胞器，它的形狀、大小、位置對(duì)于細(xì)胞適應(yīng)能力和提供生存、繁殖、遷移所需能量尤為重要[2-3]。線粒體分裂、融合或沿著細(xì)胞移動(dòng)的機(jī)制被稱為線粒體動(dòng)力學(xué)。線粒體分裂是線粒體一分為二的過程，是細(xì)胞分裂所必需的過程[4]。線粒體融合有利于提高膜電位和增加氧化磷酸化，能夠形成更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)以免自身被降解[5-6]；目前研究表明線粒體動(dòng)力學(xué)對(duì)膠質(zhì)瘤的發(fā)生發(fā)展起著重要作用，Drp1作為線粒體分裂關(guān)鍵介質(zhì)對(duì)膠質(zhì)瘤的病理發(fā)展具有重要影響，本文將就線粒體分裂與膠質(zhì)瘤的發(fā)生發(fā)展關(guān)系以及Drp1作為膠質(zhì)瘤生物標(biāo)志物的可能性進(jìn)行綜述。

1 膠質(zhì)瘤和線粒體動(dòng)力學(xué)

膠質(zhì)瘤是臨床上最為常見的中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤，占惡性腦腫瘤的81%。膠質(zhì)瘤多呈浸潤性生長(zhǎng)，很難通過手術(shù)完全切除，以致術(shù)后復(fù)發(fā)率較高，手術(shù)效果不佳[7]；因膠質(zhì)瘤干細(xì)胞的存在，易產(chǎn)生放化療抵抗，以致放化療也不理想。研究報(bào)告顯示，膠質(zhì)瘤的預(yù)后很差(表1)，確診后5年死亡率很高。例如，膠質(zhì)母細(xì)胞瘤是最常見的膠質(zhì)瘤類型，確診后5年的存活率為5%～9%。膠質(zhì)瘤如此高的死亡率，目前暫無有效的治療措施，因此，了解該病所涉及的細(xì)胞機(jī)制對(duì)開發(fā)適當(dāng)?shù)呐R床治療方法至關(guān)重要。

表1 不同類型膠質(zhì)瘤的相對(duì)存活率(%)

線粒體動(dòng)力學(xué)既參與細(xì)胞增殖，又與維持干細(xì)胞的多能性和細(xì)胞運(yùn)動(dòng)有關(guān)，因此，它在癌癥發(fā)展中的重要作用并不令人驚訝[8]。研究發(fā)現(xiàn)，線粒體動(dòng)力學(xué)在膠質(zhì)瘤發(fā)展和侵襲性過程扮演了重要的作用，參與了膠質(zhì)瘤的發(fā)展過程[9]。線粒體分裂在這一過程中得到加強(qiáng)，并參與干細(xì)胞的維持(參與腫瘤的形成和生長(zhǎng)以及復(fù)發(fā))、侵襲和遷移。

2 線粒體分裂和干細(xì)胞特性

2.1 干細(xì)胞特性

腫瘤干細(xì)胞是一種重要的腫瘤細(xì)胞亞群，能夠?qū)崿F(xiàn)自我更新和分化，是維持腫瘤的源泉。這些細(xì)胞可以無限增殖，能夠逃避抗癌免疫反應(yīng)，尤其值得注意的是它們具有化療和放療抗性，會(huì)介導(dǎo)治療后的復(fù)發(fā)，這也是其難以治療的原因[10]。膠質(zhì)瘤干細(xì)胞的線粒體形態(tài)比非干細(xì)胞的形態(tài)更碎片化，這一現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)是可以通過增強(qiáng)Drp1活性進(jìn)行調(diào)控，提示線粒體分裂與膠質(zhì)瘤干性有關(guān)。

2.2 線粒體分裂

線粒體分裂是將線粒體一分為二的過程，這一過程主要受Drp1進(jìn)行調(diào)控。有研究發(fā)現(xiàn)抑制Drp1會(huì)導(dǎo)致干細(xì)胞增殖、自我更新和腫瘤形成能力出現(xiàn)障礙，表明該蛋白在維持細(xì)胞干性中具有重要作用[11]。Drp1介導(dǎo)線粒體分裂，在隨后的幾種胞質(zhì)分裂中呈現(xiàn)對(duì)稱性分布，因此，它可能通過支持細(xì)胞分裂以維持細(xì)胞干性。但有趣的是，乳腺干細(xì)胞線粒體分裂是線粒體不對(duì)稱分布到子代細(xì)胞所必需的，在子代細(xì)胞中，老化或缺陷的線粒體被分離到分化程度更高的細(xì)胞，而健康的線粒體仍然留在干系子代細(xì)胞中[11-12]。這一機(jī)制有助于維持一個(gè)健康的干細(xì)胞群體，而Drp1對(duì)干細(xì)胞的影響也可能是通過這一過程介導(dǎo)的。

2.3 線粒體分裂的調(diào)控機(jī)制

Drp1的活性主要靠?jī)蓚€(gè)關(guān)鍵絲氨酸磷酸化位點(diǎn)(S616和S637)進(jìn)行調(diào)節(jié)。絲氨酸616位點(diǎn)(S616)的磷酸化能夠提高Drp1活性，而絲氨酸637位點(diǎn)(S637)的磷酸化則導(dǎo)致Drp1活性降低。調(diào)控兩個(gè)位點(diǎn)的激酶和磷酸酶均不相同，線粒體分裂在細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮的生理功能也不同。周期素依賴性激酶1以及Cyclin B1能夠激活S616磷酸化，提高Drp1活性進(jìn)而介導(dǎo)線粒體分裂，也可通過鈣調(diào)素依賴性激酶磷酸化介導(dǎo)線粒體分裂與細(xì)胞內(nèi)鈣關(guān)系[13]。cAMP依賴蛋白激酶能夠激活S637磷酸化，引起Drp1失活，鈣敏感蛋白磷酸酶 calcineurin引起絲氨酸637去磷酸化，激活Drp1，研究發(fā)現(xiàn)蛋白激酶D引起S637磷酸化激活，Drp1激活，導(dǎo)致線粒體發(fā)生碎片化以及功能障礙[14]。Drp1活性受到小泛素樣修飾因子1型和泛素連接酶膜相關(guān)環(huán)CH蛋白5的翻譯后調(diào)控以及線粒體分裂抑制劑1(Mdivi-1)的抑制，Mdivi-1是抑制Drp1的GTPase活性的小分子，能夠阻止多聚作用，抑制線粒體分裂[15]。最近的研究發(fā)現(xiàn)，線粒體分裂并不僅僅是受Drp1調(diào)控，Drp1缺乏膜結(jié)合域，募集Drp1涉及很多分子，如線粒體動(dòng)力學(xué)蛋白51和49(MiD51和MiD49)及線粒體裂變因子(Mff)[16-17]。MiD49和MiD50是Drp1的適配器，可招募Drp1(原本位于胞漿)到線粒體外膜表面介導(dǎo)線粒體分裂。Mff過表達(dá)募集Drp1到線粒體，導(dǎo)致線粒體碎片化，若缺失，線粒體無法正常碎片化，出現(xiàn)過度伸長(zhǎng)。此外，線粒體分裂受裂變蛋白Fis1調(diào)控，但動(dòng)物細(xì)胞普遍不會(huì)缺乏該蛋白，甚至不會(huì)出現(xiàn)裂變的缺陷[18]。

2.4 線粒體分裂的侵襲和遷移作用

侵襲代表進(jìn)入晚期神經(jīng)膠質(zhì)瘤時(shí)期，這一過程在低級(jí)別膠質(zhì)瘤中是緩慢的，但在成膠質(zhì)細(xì)胞瘤(高級(jí)別膠質(zhì)瘤)中是快速和重要的標(biāo)志。值得注意的是，這種現(xiàn)象與預(yù)后不良有關(guān)。細(xì)胞遷移和隨后入侵的原因被認(rèn)為是低氧和低營養(yǎng)。一方面，隨著膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的進(jìn)展，中央缺氧區(qū)會(huì)擴(kuò)大，導(dǎo)致該區(qū)域的細(xì)胞壞死；另一方面，壞死周圍區(qū)域缺氧，缺氧會(huì)通過調(diào)節(jié)線粒體動(dòng)力學(xué)來誘導(dǎo)遷移，促進(jìn)細(xì)胞遷移和侵襲鄰近的組織。進(jìn)一步研究表明，缺氧會(huì)增加Drp1的mRNA和蛋白水平，從而促進(jìn)線粒體分裂。片狀脂質(zhì)體(允許細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的細(xì)胞質(zhì)突起)的形成，需要將線粒體碎裂并重新分布到細(xì)胞外圍，因此，線粒體分裂在這一過程中起著關(guān)鍵作用[19]。

轉(zhuǎn)錄因子缺氧誘導(dǎo)因子1(HIF1)是缺氧反應(yīng)的中心，能夠增強(qiáng)Drp1的表達(dá)，介導(dǎo)細(xì)胞向更多含氧區(qū)遷移。同時(shí)缺氧誘導(dǎo)HIF1的穩(wěn)定和激活，促進(jìn)其靶基因的轉(zhuǎn)錄，這些基因參與缺氧反應(yīng)過程，如增強(qiáng)葡萄糖攝取和血管生成[20]。重要的是，存在于膠質(zhì)瘤細(xì)胞線粒體內(nèi)的DISC1蛋白(DISC1)也能增強(qiáng)Drp1的表達(dá)，這種蛋白是三磷酸腺苷(ATP)生產(chǎn)和鈣緩沖的中心，與線粒體功能高度相關(guān)。DISC1允許馬達(dá)和接頭蛋白之間的相互作用，對(duì)于線粒體通過細(xì)胞骨架的運(yùn)輸至關(guān)重要。Gao等[21]發(fā)現(xiàn)DISC1提高了Drp1的表達(dá)和蛋白水平，并參與了細(xì)胞遷移。也許，這種蛋白可能會(huì)引導(dǎo)一個(gè)涉及線粒體分裂和隨后運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞外圍的程序，從而允許片狀脂質(zhì)體的形成和膠質(zhì)瘤細(xì)胞的遷移。這一調(diào)控機(jī)制表明，不僅線粒體分裂增強(qiáng)，而且線粒體與細(xì)胞骨架的相互作用增強(qiáng)以及隨后的轉(zhuǎn)運(yùn)也可能參與了膠質(zhì)瘤的惡性進(jìn)展[22]。但對(duì)于膠質(zhì)瘤中DISC1上調(diào)以及DISC1增強(qiáng)的Drp1表達(dá)的機(jī)制仍不清楚，因此，還需要進(jìn)一步的研究。

3 Drp1預(yù)后的潛在價(jià)值

判斷癌癥患者的預(yù)后具有重要作用，因?yàn)樗砻骺拱┲委熓欠窈线m。Drp1與膠質(zhì)瘤的發(fā)展和進(jìn)程密切相關(guān)，可以緩解患者因不確定性引起的焦慮，必要時(shí)可用于臨終關(guān)懷計(jì)劃[23]。

已經(jīng)評(píng)估了幾種分子在膠質(zhì)瘤中的預(yù)后價(jià)值，目前使用最多的生物標(biāo)志物是異檸檬酸脫氫酶(IDH)狀態(tài)。已觀察到一些膠質(zhì)瘤呈現(xiàn)IDH突變，改變?cè)撁傅幕钚裕柚蛊湔蚍磻?yīng)(異檸檬酸轉(zhuǎn)化為α-酮戊二酸)，并改變反向反應(yīng)，導(dǎo)致腫瘤代謝物2-羥基戊二酸(2-HG)而不是異檸檬酸的產(chǎn)生[24]。IDH狀態(tài)已被報(bào)道具有重要的預(yù)后價(jià)值，因?yàn)樵撏蛔兣c膠質(zhì)瘤的侵襲性和分級(jí)呈負(fù)相關(guān)。

然而，更有用的生物標(biāo)志物可以被開發(fā)出來。還可以找到提供其他相關(guān)信息的生物標(biāo)志物。例如，我們可以搜索一個(gè)連續(xù)的(而不是離散的，如IDH突變)生物標(biāo)記物，它提供更準(zhǔn)確的信息，并且除了告知每一級(jí)別膠質(zhì)瘤的預(yù)后外，還支持分級(jí)[25-26]。Drp1的表達(dá)或蛋白水平以及磷酸化狀態(tài)，都是連續(xù)的參數(shù)。如前所述，與膠質(zhì)瘤的侵襲性相關(guān)。因此，在膠質(zhì)瘤患者中，這些參數(shù)可以作為新的預(yù)后標(biāo)志物[27]。事實(shí)上，先前已經(jīng)報(bào)道過Drp1激活磷酸化與膠質(zhì)母細(xì)胞瘤(IV級(jí)膠質(zhì)瘤)患者預(yù)后的相關(guān)性[28]。然而，這一參數(shù)與所有膠質(zhì)瘤分級(jí)的預(yù)后之間是否存在相關(guān)性仍有待確定。此外，為了確定該生物標(biāo)記物是否能同時(shí)提示預(yù)后和惡性程度，有必要確定Drp1磷酸化水平的連續(xù)體與惡性程度之間是否存在相關(guān)性。重要的是，這些相關(guān)性是可能存在的，因?yàn)檎缜懊嫣岬降?，Drp1與細(xì)胞干性和侵襲性有關(guān)，這些特征隨著膠質(zhì)瘤分級(jí)的增加而增加，并降低預(yù)后。

值得注意的是，除了膠質(zhì)瘤分級(jí)外，Drp1生物標(biāo)志物還可以提供關(guān)于侵襲性的準(zhǔn)確信息，并提示手術(shù)切除是否合適。常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的膠質(zhì)瘤手術(shù)治療，可能會(huì)發(fā)生幾種并發(fā)癥，即血管或健康腦組織損傷、血腫、癲癇發(fā)作、腦積水、腦脊液滲漏、感染以及深血管血栓形成等[29]。在這種情況下，如果膠質(zhì)瘤是高度侵襲性的，正如Drp1生物標(biāo)志物升高所表明的那樣，手術(shù)可能會(huì)帶來更多的壞處而不是好處，因此，可以尋找其他的替代方案。

此外，與IDH相比，Drp1生物標(biāo)記物還具有另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。重要的是，IDH篩查提出的問題是，并不是所有的腫瘤都有相同氨基酸的突變[30]。通常情況下，IDH突變發(fā)生在氨基酸132上[29,31]，臨床上只尋找該殘基上的IDH突變，可能會(huì)得到假陰性結(jié)果。而通過測(cè)定Drp1的表達(dá)、水平或激活S616磷酸化不會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)問題。因此，應(yīng)該考慮使用Drp1生物標(biāo)記物，因?yàn)樗鼘⑻峁?zhǔn)確的預(yù)后信息，以及額外的數(shù)據(jù)。最后，值得一提的是，Drp1的表達(dá)和蛋白水平也可以作為預(yù)后的生物標(biāo)記物。然而，使用激活磷酸化水平會(huì)更準(zhǔn)確，因?yàn)榭梢栽诓辉黾覦rp1活性和線粒體支離破碎形態(tài)的情況下得到增強(qiáng)。

4 展 望

線粒體分裂在膠質(zhì)瘤中增強(qiáng)，因?yàn)榉至褏⑴c遷移和侵襲，以及干細(xì)胞的維持，是膠質(zhì)瘤發(fā)展的中心。因此，分裂應(yīng)被認(rèn)為是膠質(zhì)瘤細(xì)胞的惡性優(yōu)勢(shì)。這些信息應(yīng)該用于臨床，例如，開發(fā)準(zhǔn)確和新穎的基于Drp1的預(yù)后生物標(biāo)記物。由于Drp1參與了膠質(zhì)瘤形成的顯著過程，而且也是一個(gè)連續(xù)的參數(shù)，因此，它不僅對(duì)預(yù)后有幫助，而且在分級(jí)中也是有用的。因此，在這方面的研究可能是為了建立膠質(zhì)瘤分級(jí)與Drp1表達(dá)、水平或磷酸化的連續(xù)體之間的相關(guān)性。此外，關(guān)于線粒體動(dòng)力學(xué)失調(diào)的信息也可能用于抗腫瘤藥物的開發(fā)，因?yàn)樽钄嗄z質(zhì)瘤細(xì)胞的分裂可能是有用的。重要的是，這種抑制可能是選擇性的，因?yàn)樽璧K神經(jīng)元的分裂將對(duì)突觸產(chǎn)生致命的影響。有趣的是，Drp1還參與過氧化物酶體的分裂，據(jù)報(bào)道這些細(xì)胞器具有致瘤作用?？傊?，線粒體分裂可作為抑制膠質(zhì)瘤的一個(gè)重要方向，未來值得研究。