線粒體逆行信號在腫瘤進展中的研究現(xiàn)狀

許小君 廖達文 王星琛 魏元元 黃啟超 杜鈺璐

作者單位：712046 咸陽1陜西中醫(yī)藥大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院；710032 西安2空軍軍醫(yī)大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生理與病理生理學(xué)教研室

線粒體是細胞內(nèi)能量代謝的主要場所，并通過三羧酸（tricarboxylic acid，TCA）以及氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHOS）生成三磷酸腺苷（adenosine 5'-triphosphate，ATP），為細胞各種生命活動提供能量。盡管線粒體蛋白質(zhì)由細胞核基因組編碼，但電子傳遞鏈（electron transport chain，ETC）的13 個亞單位仍由線粒體DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）編碼。因此，線粒體OXPHOS 復(fù)合體的表達、翻譯和組裝需要線粒體與細胞核之間持續(xù)進行信息交流，進而確保線粒體發(fā)揮正常生理功能［1-2］。線粒體與細胞核間的信息交流，一方面取決于核基因編碼線粒體蛋白調(diào)控線粒體功能（正向信號）；另一方面線粒體可通過細胞內(nèi)信號分子，例如Ca2+、mtDNA、活性氧（reactive oxygen species，ROS）、TCA循環(huán)代謝物（如2-羥基戊二酸）等將線粒體異常以及細胞代謝變化信號呈遞給細胞核（逆行信號），細胞核通過動員一系列核轉(zhuǎn)錄因子引起重要信號通路的激活、進而促進線粒體轉(zhuǎn)錄及線粒體生物合成等過程［3-4］。

在腫瘤發(fā)生過程中，ROS生成顯著增加、mtDNA 突變大量累積等都可導(dǎo)致線粒體OXPHOS功能被抑制，進而擾亂線粒體與細胞核間的交流，引發(fā)基因表達模式的改變及腫瘤惡性進展［5］。在能量缺乏、ROS 大量產(chǎn)生情況下，線粒體可向細胞核傳遞信號，引發(fā)轉(zhuǎn)錄重編程以進行代謝適應(yīng)［1］。線粒體和細胞核之間的通信為細胞提供了一個動態(tài)的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，使細胞能夠?qū)Σ粩嘧兓拇x條件或壓力作出響應(yīng)。本綜述主要討論線粒體代謝產(chǎn)物和壓力信號如何通過表觀遺傳改變調(diào)控腫瘤的進展，為進一步理解線粒體功能的復(fù)雜維度及其參與疾病發(fā)生發(fā)展的機制提供新視角。

1 線粒體代謝中間產(chǎn)物通過表觀修飾調(diào)控腫瘤發(fā)生發(fā)展

線粒體TCA 循環(huán)代謝中間產(chǎn)物2-羥基戊二酸（2-hydroxyglutarate，2-HG）、琥珀酸以及富馬酸［6］等可作為底物，通過介導(dǎo)表觀遺傳學(xué)修飾推動腫瘤的發(fā)生和惡性進展。

1.1 2-HG 異常增多介導(dǎo)的DNA 或組蛋白超甲基化調(diào)控腫瘤進展

異檸檬酸脫氫酶1 和2（isocitrate dehydrogenase 1 and 2，IDH1和IDH2）是人類腫瘤中常見的突變基因，多存在于膠質(zhì)瘤、急性髓細胞性白血?。╝cute myelogenous leukemias，AMLs）和骨髓增生異常綜合征（myelodysplastic syndromes，MDS）［7］。突變型IDH 將TCA循環(huán)中間產(chǎn)物α-酮戊二酸（α-ketoglutarate，α-KG）還原成2-HG［8-9］，后者與α-KG 結(jié)構(gòu)相似，因此能作為α-KG 的競爭性抑制物。有研究表明α-KG 可作為組蛋白賴氨酸去甲基酶（JMJD/JHDM）［7］和DNA去甲基酶TET［10］的底物。因此，作為α-KG 類似物，2-HG 會引起DNA 及組蛋白的高甲基化，廣泛參與基因的表達調(diào)控，促進腫瘤進展［9，11］（圖1）。例如，2023 年RAHME 等［12］研究表明，IDH1 和IDH2突變膠質(zhì)瘤中積累的2-HG 可競爭性抑制去甲基化酶與α-KG 結(jié)合，導(dǎo)致DNA 抑癌基因CDKN2A啟動子和致癌基因PDGFRA附近的絕緣子結(jié)合蛋白（CCCTC binding factor，CTCF）高甲基化后失活，最終驅(qū)動體內(nèi)膠質(zhì)瘤發(fā)生；2020 年SULKOWSKI 等［13］報道，2-HG、延胡索酸水合酶（fumarate hydratase，F(xiàn)H）、琥珀酸脫氫酶（succinate dehydrogenase，SDH）等代謝物的積累可通過抑制組蛋白去甲基化酶KDM4B 的活性，造成基因組廣泛H3K9me3 高甲基化，從而使DNA 同源重組修復(fù)（homology directed repair，HDR）關(guān)鍵分子TIP60 和ATM 及下游修復(fù)因子RPA、BRCA1、RAD51 等在DNA 斷裂位點富集減少，使DNA 累積突變增加，進而增加神經(jīng)膠質(zhì)瘤對多聚ADP 核糖聚合酶（poly-ADP-ribose polymerase，PARP）抑制劑的敏感。

圖1 線粒體代謝調(diào)控核基因表達示意圖Fig.1 Schematic diagram of mitochondrial metabolites regulating nuclear gene expression through epigenetic modification

1.2 琥珀酸異常累積介導(dǎo)的超甲基或琥珀?；揎棿龠M腫瘤進展

近年來，琥珀酸在腫瘤生物學(xué)中的作用引起了科研人員的廣泛關(guān)注，主要原因在于SDH 的失活突變在遺傳性平滑肌瘤［14-15］、腎細胞癌［16］、胃腸道間質(zhì)瘤［17］等多種腫瘤中被檢測到，而且此種突變可導(dǎo)致腫瘤細胞內(nèi)琥珀酸的堆積。與2-HG 類似，琥珀酸也可通過與α-KG 競爭，抑制α-KG 依賴的酶活性，從而誘導(dǎo)腫瘤細胞的超甲基化表型（圖1）。例如，2019 年FLAVAHAN 等［18］報道，SDH 缺陷型胃腸道間質(zhì)瘤中DNA 甲基化異常增強，破壞致癌基因FGF3、FGF4與周圍DNA 結(jié)合絕緣體蛋白CTCF 的結(jié)合，從而導(dǎo)致上述致癌基因高表達，最終促進胃腸道間質(zhì)瘤生長。2021 年AGGARWAL 等［19］發(fā)現(xiàn)，在腎透明細胞癌中由于泛素連接酶Von Hippel-Lindau（VHL）蛋白缺失，缺氧誘導(dǎo)因子（hypoxia-inducible factor-α，HIF-α）降解減少，其下游基因miR-210 表達上調(diào)而使其靶標(biāo)蛋白SDH 表達降低，琥珀酸堆積加速，從而抑制TET2 活性，促進DNA 甲基化的發(fā)生，進而顯著增強了腎透明細胞癌的侵襲能力。

此外，琥珀酸的累積還參與蛋白翻譯后修飾過程，即賴氨酸殘基的琥珀?；揎?。蛋白的琥珀酰化修飾廣泛存在于細胞質(zhì)和細胞核蛋白（如組蛋白）中。浙江大學(xué)呂志民教授團隊研究發(fā)現(xiàn)，組蛋白H3K79 位點的琥珀?；瘏⑴c多個腫瘤生長相關(guān)信號分子的轉(zhuǎn)錄并促進腫瘤生長［20］。該研究表明α-酮戊二酸脫氫酶（α-ketoglutarate Dehydrogenase，α-KGDH）與組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶（lysine acetyltransferase 2A，KAT2A）結(jié)合后，發(fā)揮琥珀酰轉(zhuǎn)移酶的功能，可通過琥珀?；M蛋白H3K79 促進神經(jīng)膠質(zhì)瘤生長［20］。2020 年南開大學(xué)張曉東教授課題組報道了一個新的琥珀酰轉(zhuǎn)移酶--組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶1（histone acetyltransferase1，HAT1），其可通過對組蛋白H3K122位點和糖酵解關(guān)鍵酶PGAM1 K99位點的琥珀?；揎?，促進糖酵解和肝癌細胞的生長［21］。

1.3 延胡索酸異常增多可通過促進組蛋白超甲基化促進腫瘤生長

FH 是參與TCA 循環(huán)的一個關(guān)鍵酶，在細胞內(nèi)能催化延胡索酸（fumarate）轉(zhuǎn)變成L-蘋果酸（malate）。既往研究表明在遺傳性平滑肌瘤、腎細胞癌［22］等多種腫瘤組織中發(fā)生FH 失活性突變，導(dǎo)致延胡索酸異常積累并促進腫瘤進展。2015 年，JIANG 等［23］研究指出，延胡索酸酶的酶活性及其產(chǎn)物延胡索酸是DNA 損傷反應(yīng)的關(guān)鍵元件，延胡索酸酶缺陷可通過延胡索酸積累增多而降低組蛋白去甲基化酶KDM2B活性，導(dǎo)致組蛋白H3K36me2 增強，進而增加非同源末端連接DNA 修復(fù)和腫瘤細胞存活。2017 年，該團隊又發(fā)現(xiàn)在葡萄糖缺乏時，AMP 依賴的蛋白激酶（adenosine 5'-monophosphate-activated protein kinase，AMPK）能磷酸化FH，導(dǎo)致后者在負責(zé)生長停滯的轉(zhuǎn)錄因子ATF2基因啟動子區(qū)富集，局部高濃度延胡索酸可通過抑制去甲基化酶KDM2A 活性，導(dǎo)致H3K36me2 甲基化增強，進而促進ATF2 靶向轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致細胞生長停滯，這種反應(yīng)可被FH 磷酸化位點的糖基化抑制［21］。在高水平表達N-乙酰氨基葡萄糖轉(zhuǎn)移酶的胰腺癌細胞中，葡萄糖缺失時可通過維持高濃度的FH 糖基化，進而抑制FH-ATF2 信號通路導(dǎo)致的細胞周期阻滯，維持腫瘤細胞生長［24］。

2 核定位線粒體代謝酶通過表觀修飾促進腫瘤發(fā)展

線粒體代謝中間產(chǎn)物可作為蛋白翻譯后修飾的重要底物，該結(jié)論已受到廣泛認可。最近有研究表明，部分線粒體TCA 關(guān)鍵酶在惡性腫瘤細胞中可從線粒體轉(zhuǎn)運到細胞核而促進組蛋白修飾［25-26］，進而將細胞代謝與基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控直接聯(lián)系起來。例如乙?；羌毎麅?nèi)蛋白翻譯后修飾的主要方式之一。由線粒體丙酮酸脫氫酶產(chǎn)生的乙酰輔酶A（Acetyl CoA）是TCA 循環(huán)的重要代謝中間產(chǎn)物。同時，Acetyl CoA 也是蛋白乙?；闹饕孜铮稍诮M蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶（histone acetyltransferase，HATs）催化下介導(dǎo)組蛋白乙酰化，從而調(diào)控基因表達（圖1）。最近有研究發(fā)現(xiàn)致癌基因KRAS和AKT的表達增多可促進線粒體內(nèi)的丙酮酸脫氫酶轉(zhuǎn)位到細胞核，并與HATs 形成復(fù)合物，從而使組蛋白乙?；?7-28］。而組蛋白的乙酰化常導(dǎo)致DNA 與組蛋白八聚體解離，核小體結(jié)構(gòu)松弛和基因的表達，進而促進腫瘤發(fā)生［29］。

3 線粒體ROS 促進腫瘤發(fā)生、浸潤和轉(zhuǎn)移

ROS 是細胞代謝重要產(chǎn)物之一，包括超氧陰離子（O2-）、過氧化氫（H2O2）和羥基自由基（OH-）等［30-31］。90%的ROS 由線粒體電子傳遞鏈傳遞電子時向O2直接泄露高能電子產(chǎn)生［32］。由于O2-的強反應(yīng)活性，極易造成細胞氧化損傷，因此一旦產(chǎn)生會迅速被細胞內(nèi)超氧化物歧化酶（super oxide dismutase，SOD）轉(zhuǎn)化為H2O2［30］，而后再被過氧化物酶還原為H2O（圖2）。

圖2 線粒體ROS的產(chǎn)生及其作為逆行信號調(diào)控核內(nèi)基因表達機制圖Fig.2 The production of mROS and its mechanism as a retrograde signal to regulate gene expression in the nucleus

ROS 與腫瘤的發(fā)生、浸潤和轉(zhuǎn)移關(guān)系密切。組織損傷、細胞死亡及病原感染引發(fā)炎癥遷延不愈、腫瘤中浸潤的巨噬細胞釋放NADPH 氧化酶增多、腫瘤細胞中存在的缺氧環(huán)境等［33］均可使細胞氧化還原平衡失調(diào)，導(dǎo)致線粒體產(chǎn)生ROS 及中間體增多，進而激活多種信號通路促進腫瘤發(fā)生和進展。例如，在正常生理條件下，KEAP1 可與抗氧化蛋白NRF2 結(jié)合并通過泛素-蛋白酶體途徑降解后者，當(dāng)ROS 水平升高時，NRF2與KEAP1解離并易位至細胞核內(nèi)，與Smaf蛋白以及ARE（抗氧化反應(yīng)元件）結(jié)合形成異二聚體，從而啟動下游細胞抗氧化基因的轉(zhuǎn)錄（圖2）。2020年，Karen H Vousden 團隊研究指出，胰腺導(dǎo)管腺癌中NRF2 的負調(diào)節(jié)因子KEAP1 突變和NRF2 的功能獲得性突變皆會導(dǎo)致NRF2 失活，從而下調(diào)抗氧化基因TIGAR的表達，使細胞抗氧化作用減弱，ROS 持續(xù)增多而激活MAPK 通路，進而促進腫瘤轉(zhuǎn)移［5］。在非小細胞肺癌細胞中，線粒體內(nèi)產(chǎn)生的過量ROS可激活腫瘤細胞和腫瘤相關(guān)成纖維細胞分泌促瘤細胞因子IL-6，進一步激活STAT3 通路，然后通過改變E-鈣黏蛋白、N-鈣黏蛋白、波形蛋白和Snail 等細胞遷移相關(guān)蛋白的表達，促進腫瘤轉(zhuǎn)移［34］。此外，腫瘤細胞缺氧，有限的氧分子充當(dāng)電子傳遞鏈中的終電子受體，使線粒體ROS 產(chǎn)生增多，進而進入細胞核穩(wěn)定HIF-1α 亞單位，并與HIF-1β 形成二聚體，驅(qū)動缺氧應(yīng)答相關(guān)基因（如促血管生成因子）表達，增加腫瘤血管生成，進一步促進腫瘤存活與增殖［35］（圖2）。

4 mtDNA-cGAS-STING 通路可作為逆行信號促進腫瘤細胞增殖

細胞質(zhì)中環(huán)鳥苷酸合酶（cyclic GMP-AMP Synthase，cGAS）可識別外源DNA 并催化產(chǎn)生環(huán)鳥苷酸（cyclic-GMP-AMP，cGAMP），隨后cGAMP 會通過活化轉(zhuǎn)錄因子（stimulator of interferon genes，STING）誘導(dǎo)干擾素的表達，引發(fā)細胞的免疫反應(yīng)［36］（圖3）。由于mtDNA的原核屬性，當(dāng)其由線粒體釋放至細胞漿時同樣會激活cGAS-STING信號通路。

圖3 mtDNA激活cGAS-STING 信號通路促進抗腫瘤免疫機制圖Fig.3 Mechanism diagram of promoting anti-tumor immunity by mtDNA- cGAS-STING pathway

當(dāng)腫瘤細胞應(yīng)激時，如線粒體損傷、缺氧、炎癥等都可導(dǎo)致腫瘤細胞內(nèi)mtDNA的釋放［37-38］。激活的cGASSTING信號通路可以誘導(dǎo)腫瘤細胞產(chǎn)生大量的轉(zhuǎn)錄因子IFN調(diào)節(jié)因子3（interferon regulatory factor 3，IRF3）、核因子NF-κB和干擾素-β（interferon-β，INF-β），進而激活細胞免疫，促進對腫瘤細胞的免疫識別和殺傷［39］（圖3）。但也有研究表明，在腫瘤細胞中mtDNA的釋放以及cGASSTING 信號通路的激活與腫瘤進展密切相關(guān)［40-42］。2022年，KIRTONIA 等［33］研究顯示在食管鱗狀細胞癌中線粒體分裂關(guān)鍵蛋白Drp1上調(diào)，可誘導(dǎo)線粒體功能障礙并誘導(dǎo)mtDNA釋放，激活cGAS-STING通路，促進腫瘤細胞增殖；2017年，SANSONE 等［43］研究表明在內(nèi)分泌治療后的乳腺癌細胞中，細胞外小泡可攜帶癌旁組織中的mtDNA 至腫瘤干細胞，激活cGAS-STING 信號通路，使腫瘤干細胞脫離休眠狀態(tài)，導(dǎo)致內(nèi)分泌治療失敗。

5 小結(jié)

綜上所述，線粒體-細胞核逆行信號在腫瘤細胞內(nèi)的重要通信機制有以下方面：第一，通過表觀遺傳修飾，線粒體代謝中間產(chǎn)物（如SDH、FH）和核定位線粒體代謝酶（如PDH）促進腫瘤進展。第二，過量積累的ROS 可以推動腫瘤細胞的增殖和侵襲。第三，mtDNA的釋放和識別激活cGAS-STING 信號通路促進腫瘤進展。這些機制均通過線粒體釋放的信號分子調(diào)控細胞核的基因表達和功能，從而促進腫瘤的惡性進展。深入研究線粒體-細胞核逆行信號的機制和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)對理解細胞內(nèi)信號傳遞和腫瘤進展的機制具有重要意義，也有助于探索新的腫瘤預(yù)防和治療策略。