線粒體功能障礙與肝細(xì)胞癌的關(guān)系

高小強(qiáng)， 左 石， 賈曉東， 陸蔭英

1 貴州醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院 肝膽外科， 貴陽 550004;2 中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院第五醫(yī)學(xué)中心 肝臟腫瘤診療與研究中心， 北京 100039

肝細(xì)胞癌(HCC)發(fā)病率占原發(fā)性肝癌的90%以上，是全球第五大常見腫瘤類型，其發(fā)病與病毒性肝炎、酒精性肝病、非酒精性脂肪性肝病等相關(guān)，早期診斷率低于40%；臨床上依據(jù)腫瘤分期，制訂治療方案，預(yù)后較差，5年生存率低于16%[1-3]；深入剖析HCC的發(fā)病機(jī)制，開發(fā)新的特效藥，是未來研究的方向。

線粒體是一種具有雙層膜結(jié)構(gòu)的細(xì)胞器，內(nèi)膜上存在“嵴”，系電子傳遞鏈組件的錨定部位；伴隨電子的傳遞，質(zhì)子的移動(dòng)，最終形成ATP，在此過程中，可產(chǎn)生一些活性氧自由基(ROS)副產(chǎn)物，具有細(xì)胞信號(hào)的功能。線粒體還含有相對(duì)自主的遺傳物質(zhì)，即線粒體DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)，在核基因的調(diào)控下，合成一些重要組分。線粒體亦參與胞質(zhì)內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)、先天免疫信號(hào)的傳導(dǎo)以及細(xì)胞凋亡的調(diào)控，可在相應(yīng)調(diào)控下，發(fā)生融合、分裂等動(dòng)態(tài)變化，這種動(dòng)力學(xué)變化在線粒體生理學(xué)中具有重要作用[4-5]。研究[6-10]證實(shí)，HCC發(fā)生、發(fā)展過程中，線粒體結(jié)構(gòu)與功能均發(fā)生不同程度的變化，且這些變化可以影響HCC進(jìn)展，本文就此作一綜述。

1 HCC細(xì)胞線粒體的變化

1.1 線粒體膜變化 正常情況下，線粒體外膜僅允許分子量<5000 Da的物質(zhì)通過，而內(nèi)膜對(duì)離子及小分子物質(zhì)通透性較低。Bcl-2是一種線粒體外膜蛋白，通過與促凋亡蛋白(如Bax、Bak)相互作用，調(diào)節(jié)外膜通透性，進(jìn)而控制凋亡相關(guān)物質(zhì)，如細(xì)胞色素C、凋亡誘導(dǎo)因子等的釋放，調(diào)控細(xì)胞凋亡[4,6]。HCC組織中，Bcl-2表達(dá)上調(diào)，Bax表達(dá)下調(diào)，使得線粒體外膜通透性下降，抑制了HCC細(xì)胞的凋亡[11]。Funk等[12]團(tuán)隊(duì)研究證實(shí)，在HCC發(fā)生過程中，促凋亡蛋白Bax及Bak的分布呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，與Bak不同，Bax主要由線粒體逆向轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞質(zhì)中，使得Bax和Bak分別駐留于HCC細(xì)胞的胞質(zhì)及線粒體中，而在癌旁組織中的分布未見明顯差異；促凋亡蛋白的異位分布與低水平表達(dá)具有協(xié)同作用，大大降低了線粒體外膜的通透性，抑制了細(xì)胞的凋亡。

1.2 氧化呼吸鏈變化 HCC組織中，線粒體氧化呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的表達(dá)均減少[7,13]。線粒體微肽富集于肌肉組織，定位于線粒體，可調(diào)節(jié)正常的肌源性分化和肌肉發(fā)育。研究[14]表明，線粒體微肽在HCC組織中的表達(dá)量降低，可能通過促進(jìn)呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ的活性，使NAD+/NADH的比值升高，促進(jìn)HCC進(jìn)展。吡啶核苷二硫氧化還原酶結(jié)構(gòu)域2(PYROXD2)位于線粒體內(nèi)膜及基質(zhì)中，可與氧化呼吸鏈復(fù)合物Ⅳ中的亞基結(jié)合，促進(jìn)其活性；而PYROXD2在HCC組織中低表達(dá)，使得復(fù)合物Ⅳ的功能受到抑制[15]。泛醌Q10是線粒體電子傳遞鏈中的重要結(jié)構(gòu)，其基因表達(dá)受到戊二磷酸合酶亞基2 (PDSS2)的調(diào)控；研究[16]發(fā)現(xiàn)，PDSS2在HCC組織中的表達(dá)下調(diào)，引起泛醌Q10的表達(dá)減少和復(fù)合物Ⅰ的活性減弱，促進(jìn)腫瘤進(jìn)展。

1.3 線粒體動(dòng)力學(xué)變化 正常線粒體動(dòng)力學(xué)主要包括：線粒體沿細(xì)胞骨架的運(yùn)動(dòng)、線粒體結(jié)構(gòu)的調(diào)整、由栓系、融合或者分裂介導(dǎo)的連接等[8]。線粒體融合蛋白(mitofusin，MFN)1是主要的線粒體促融合蛋白；其在HCC組織中表達(dá)減少，導(dǎo)致線粒體融合發(fā)生率降低，分裂發(fā)生率升高，造成HCC組織中線粒體長(zhǎng)度較癌旁組織中偏短[17]。MFN2是另一種重要的線粒體促融合蛋白，同MFN1，其在HCC組織中的表達(dá)量亦低于癌旁組織[18]。動(dòng)力蛋白相關(guān)蛋白(dynamin-related protein，DRP)1是主要的促線粒體分裂蛋白，其在HCC組織中的表達(dá)量增高。由此可知，HCC組織中促線粒體融合蛋白呈現(xiàn)低表達(dá)，而促線粒體分裂蛋白呈現(xiàn)高表達(dá)，兩者相互協(xié)同，使得線粒體分裂發(fā)生率明顯增高，促進(jìn)腫瘤進(jìn)展[17]。

1.4 mtDNA變化 mtDNA是一個(gè)長(zhǎng)度為16.6 kb的雙鏈環(huán)狀結(jié)構(gòu)，所攜帶基因可編碼22種轉(zhuǎn)運(yùn)RNA，2種核糖體RNA和13種多肽(包含呼吸鏈組分)[19]；研究[19-22]已證實(shí)，HCC組織中存在多種mtDNA的突變類型，主要包括：點(diǎn)突變、缺失突變、插入突變和拷貝數(shù)改變。對(duì)HCC組織中線粒體基因組進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示，約半數(shù)HCC樣本中的mtDNA至少攜帶一種同質(zhì)或異質(zhì)點(diǎn)突變；其中，76%位于D-環(huán)區(qū)域(mtDNA的非編碼調(diào)控區(qū)域)，2%位于核糖體RNA編碼區(qū)域，3%位于轉(zhuǎn)運(yùn)RNA編碼區(qū)域，19%位于信使RNA編碼區(qū)域[19]。學(xué)者[20]對(duì)105例HCC組織及69例正常肝組織中mtDNA 4977 bp缺失信息進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，僅10例HCC組織樣本中存在此種缺失；且mtDNA 4977 bp缺失與HCC細(xì)胞ROS產(chǎn)生增多、mtDNA拷貝數(shù)增加相關(guān)。Hung等[21]研究發(fā)現(xiàn)，3.6%的HCC組織中存在mtDNA的插入突變，常見的插入序列為260 bp片段和520 bp片段，常以兩次或三次重復(fù)序列插入mtDNA D-環(huán)區(qū)的兩個(gè)多聚胞嘧啶片段之間，且這種突變的發(fā)生與多聚胞嘧啶片段的長(zhǎng)度有關(guān)。除了以上mtDNA突變類型外，HCC組織中mtDNA的拷貝數(shù)亦減少[22]。

1.5 線粒體鈣穩(wěn)態(tài)變化 線粒體鈣穩(wěn)態(tài)是指線粒體通過調(diào)節(jié)機(jī)制，維持細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度的穩(wěn)定，這一過程對(duì)調(diào)節(jié)有氧代謝及細(xì)胞存活至關(guān)重要，其調(diào)節(jié)機(jī)制主要包括兩種：(1)鈣離子的緩沖；(2)與其他通道或細(xì)胞器協(xié)同作用[23]。線粒體鈣離子轉(zhuǎn)運(yùn)體(mitochondrial Ca2+uniporter，MCU)是鈣穩(wěn)態(tài)調(diào)控的關(guān)鍵因子，由核心亞基(鈣離子吸收通道)、調(diào)節(jié)亞基(MICU1、MICU2、MCUb)、必需調(diào)節(jié)因子構(gòu)成，并受線粒體鈣單向轉(zhuǎn)運(yùn)體調(diào)節(jié)分子1(mitochondrial calcium uniporter regulator 1，MCUR1)的調(diào)節(jié)；研究[10,24]證實(shí)，MCU、MICU1、MICU2以及MCUR1在HCC組織中高表達(dá)，通過促進(jìn)線粒體鈣離子的攝入，激活下游信號(hào)通路，影響腫瘤進(jìn)展。

2 線粒體結(jié)構(gòu)及功能障礙對(duì)HCC的影響

PDSS2在細(xì)胞呼吸中扮演重要角色；細(xì)胞功能試驗(yàn)證實(shí)，沉默永生化肝細(xì)胞中的PDSS2，可下調(diào)泛醌Q10的表達(dá)，抑制復(fù)合物Ⅰ的活性，使糖代謝轉(zhuǎn)向糖酵解途徑，符合癌細(xì)胞能量代謝的特點(diǎn)，更具有成瘤性，反之亦然[16]。HCV為HCC的病因之一，HCV的核心蛋白可以作用于肝細(xì)胞的線粒體，產(chǎn)生過多的ROS，誘導(dǎo)細(xì)胞生長(zhǎng)相關(guān)的基因發(fā)生突變，促進(jìn)HCC的發(fā)生[25]。我國(guó)學(xué)者[26]對(duì)HCC組織中mtDNA D-環(huán)區(qū)單核苷酸多態(tài)性進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，含有16266C/T、16293A/G、16299A/G等基因型的酒精性肝病個(gè)體易罹患HCC，含有523A/del基因型的HBV感染者更易發(fā)展為HCC；mtDNA中9 bp缺失多態(tài)性是中國(guó)人口發(fā)生HCC的一個(gè)危險(xiǎn)因素[27]。Bcl-2基因多態(tài)性(rs2279115)與HCV相關(guān)HCC的易發(fā)性相關(guān)[28]。

線粒體動(dòng)力學(xué)與HCC轉(zhuǎn)移相關(guān)。高轉(zhuǎn)移性HCC組織中線粒體分裂率明顯升高，MFN1表達(dá)減少在其中扮演重要角色；線粒體分裂可通過促進(jìn)HCC細(xì)胞的上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial to mesenchymal transition，EMT)，激活糖酵解代謝途徑，進(jìn)而增加癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移及侵襲能力，促進(jìn)腫瘤進(jìn)展；所以，MFN1可能作為HCC的潛在治療靶點(diǎn)[17]。Huang等[29]研究證實(shí)，HCC組織中過多的線粒體分裂跟DRP1/MFN1比值升高有關(guān)；不管是過表達(dá)DRP1，還是沉默MFN1，都可促進(jìn)細(xì)胞自噬，抑制線粒體凋亡途徑；機(jī)制分析表明，線粒體分裂引起ROS產(chǎn)生增多，后者介導(dǎo)AKT的激活，并與TP53和NF-κB通路協(xié)同作用，促進(jìn)腫瘤進(jìn)展。氧化呼吸鏈中復(fù)合物Ⅳ亞基1在HCC組織中表達(dá)減少，且其低表達(dá)與HCC較低的生存率相關(guān)，可以作為HCC患者術(shù)后的預(yù)后因子[13]。HCC組織中，過表達(dá)的MCU可以通過促進(jìn)線粒體鈣離子的攝入，抑制NAD+/SIRT3/SOD2信號(hào)通路，促進(jìn)ROS的產(chǎn)生，進(jìn)而通過ROS/JNK信號(hào)通路促進(jìn)基質(zhì)金屬蛋白酶2(matrix metalloproteinase-2，MMP-2)的合成，增加HCC細(xì)胞的轉(zhuǎn)移性及侵襲性，促進(jìn)腫瘤的進(jìn)展[30]。同樣，MCUR1亦可通過鈣離子信號(hào)途徑，激活ROS/Nrf2/Notch1信號(hào)通路，促進(jìn)HCC細(xì)胞的EMT轉(zhuǎn)化，促進(jìn)腫瘤轉(zhuǎn)移[10](圖1)。Bcl-xL/Bcl-2相關(guān)死亡促進(jìn)因子(Bcl-xL/Bcl-2-associated death promoter，Bad)是Bcl-2家族中的成員，為一種凋亡促進(jìn)因子；Bad在HCC組織中的表達(dá)量降低，且其低表達(dá)與腫瘤分期晚、腫瘤直徑大、血管侵犯、血清高水平AFP等相關(guān)，可作為HCC患者的預(yù)后因子[31]。Li等[32]對(duì)140例HCC組織中mtDNA D-環(huán)區(qū)進(jìn)行檢測(cè)，共發(fā)現(xiàn)150個(gè)點(diǎn)序列變異，包括13個(gè)點(diǎn)突變、8個(gè)插入突變、20個(gè)缺失突變，116個(gè)多態(tài)性分布；其中，第150位堿基為T以及16263位堿基為T的變異體與患者無瘤生存期較長(zhǎng)相關(guān)；315位插入堿基C的變異體與無瘤生存期較短相關(guān)；所以，不同的mtDNA D-環(huán)區(qū)域變異體，對(duì)HCC進(jìn)展的影響各不相同。

圖1 HCC組織中線粒體變化及其對(duì)HCC進(jìn)展的影響

3 線粒體靶向治療

目前，尚無評(píng)估HCC線粒體靶向治療的臨床試驗(yàn)；然而，有證據(jù)表明調(diào)節(jié)線粒體功能是一種有潛力的治療手段。索拉非尼是美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)的治療晚期HCC的一線藥物，是一種多激酶抑制劑；它可介導(dǎo)線粒體解偶聯(lián)，抑制氧化呼吸鏈中復(fù)合物的活性，減少ATP的生成[33]，還可促進(jìn)細(xì)胞ROS的產(chǎn)生，消耗細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽，觸發(fā)線粒體內(nèi)鈣超載，最終釋放細(xì)胞色素C及caspase3/7，啟動(dòng)細(xì)胞凋亡程序[34]。Li等[35]研究證實(shí)，索拉非尼可抑制HCC細(xì)胞線粒體自噬，降低線粒體膜電位，誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生鐵死亡；補(bǔ)充谷胱甘肽可抑制ROS的產(chǎn)生，改善脂質(zhì)過氧化，減少細(xì)胞鐵死亡；半胱氨酸剝奪與索拉非尼具有協(xié)同作用，兩者共同處理的細(xì)胞更易發(fā)生鐵死亡，有望成為治療晚期HCC的新方法。二甲雙胍是氧化呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ的抑制劑，可通過抑制M2型丙酮酸激酶及脂肪酸合酶的合成，延緩AKT/c-Met驅(qū)動(dòng)的小鼠HCC的發(fā)生[36]。青蒿酯(ART)是一種經(jīng)典的抗瘧藥物，在多種惡性腫瘤中發(fā)揮顯著的抗瘤作用；因其生物利用度低，我國(guó)學(xué)者將其與環(huán)金屬銥(Ⅲ)配合物相連，構(gòu)建成Ir-ART-1-3復(fù)合物。研究[37]證實(shí)，Ir-ART-1-3可直接定位到HCC細(xì)胞線粒體膜上，破壞其功能，導(dǎo)致線粒體膜電位降低、ROS產(chǎn)生增多，誘導(dǎo)線粒體途徑凋亡的發(fā)生，并可調(diào)節(jié)細(xì)胞周期，抑制HCC細(xì)胞的轉(zhuǎn)移性；所以，Ir-ART-1-3有望成為未來HCC治療的候選藥物。電壓依賴性陰離子通道1(voltage-dependent anion channel 1，VDAC1)位于線粒體外膜，介導(dǎo)線粒體與細(xì)胞內(nèi)其他成分間的交流，在細(xì)胞一系列生理過程中(ATP分配、Ca2+穩(wěn)態(tài)、細(xì)胞凋亡的執(zhí)行等)扮演重要角色。R-Tf-D-LP4是靶向VDAC1的分子多肽，它可以破壞HCC細(xì)胞的能量及代謝穩(wěn)態(tài)，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，抑制腫瘤進(jìn)展，是一種很有前景的HCC治療方法[38]。

4 小結(jié)

線粒體是細(xì)胞內(nèi)至關(guān)重要的細(xì)胞器，參與細(xì)胞能量代謝、物質(zhì)代謝、鈣穩(wěn)態(tài)、細(xì)胞凋亡等一系列細(xì)胞生理過程的調(diào)節(jié)。HCC組織中線粒體膜、氧化呼吸鏈、線粒體動(dòng)力學(xué)、mtDNA、線粒體鈣穩(wěn)態(tài)等均發(fā)生不同程度的變化，線粒體結(jié)構(gòu)及功能障礙可促進(jìn)HCC的進(jìn)展，影響腫瘤的預(yù)后；雖然，目前尚無治療HCC的線粒體靶向藥物，然而，已有研究表明調(diào)節(jié)線粒體功能是一種有效的治療手段；所以，線粒體功能障礙促進(jìn)HCC進(jìn)展的深層機(jī)制亟待進(jìn)一步研究，為開發(fā)靶向藥物，奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

利益沖突聲明：所有作者均聲明不存在利益沖突。

作者貢獻(xiàn)聲明：高小強(qiáng)負(fù)責(zé)資料分析，撰寫論文；左石、賈曉東負(fù)責(zé)提出具體修改意見并進(jìn)行修改；陸蔭英負(fù)責(zé)擬定撰寫思路，指導(dǎo)文章寫作并最終定稿。