線粒體逆行信號在腫瘤進展中的研究現狀

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陜西中醫藥大學第二臨床醫學院；710032 西安2空軍軍醫大學基礎醫學院生理與病理生理學教研室

線粒體是細胞內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 復合體的表達、翻譯和組裝需要線粒體與細胞核之間持續進行信息交流，進而確保線粒體發揮正常生理功能［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控線粒體功能（正向信號）；另一方面線粒體可通過細胞內信號分子，例如Ca2+、mtDNA、活性氧（reactive oxygen species，ROS）、TCA循環代謝物（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錄因子引起重要信號通路的激活、進而促進線粒體轉錄及線粒體生物合成等過程［3-4］。

在腫瘤發生過程中，ROS生成顯著增加、mtDNA 突變大量累積等都可導致線粒體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 大量產生情況下，線粒體可向細胞核傳遞信號，引發轉錄重編程以進行代謝適應［1］。線粒體和細胞核之間的通信為細胞提供了一個動態的調控網絡，使細胞能夠對不斷變化的代謝條件或壓力作出響應。本綜述主要討論線粒體代謝產物和壓力信號如何通過表觀遺傳改變調控腫瘤的進展，為進一步理解線粒體功能的復雜維度及其參與疾病發生發展的機制提供新視角。

1 線粒體代謝中間產物通過表觀修飾調控腫瘤發生發展

線粒體TCA 循環代謝中間產物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，通過介導表觀遺傳學修飾推動腫瘤的發生和惡性進展。

1.1 2-HG 異常增多介導的DNA 或組蛋白超甲基化調控腫瘤進展

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循環中間產物α-酮戊二酸（α-ketoglutarate，α-KG）還原成2-HG［8-9］，后者與α-KG 結構相似，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突變膠質瘤中積累的2-HG 可競爭性抑制去甲基化酶與α-KG 結合，導致DNA 抑癌基因CDKN2A啟動子和致癌基因PDGFRA附近的絕緣子結合蛋白（CCCTC binding factor，CTCF）高甲基化后失活，最終驅動體內膠質瘤發生；2020 年SULKOWSKI 等［13］報道，2-HG、延胡索酸水合酶（fumarate hydratase，FH）、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（homology directed repair，HDR）關鍵分子TIP60 和ATM 及下游修復因子RPA、BRCA1、RAD51 等在DNA 斷裂位點富集減少，使DNA 累積突變增加，進而增加神經膠質瘤對多聚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中的作用引起了科研人員的廣泛關注，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］、胃腸道間質瘤［17］等多種腫瘤中被檢測到，而且此種突變可導致腫瘤細胞內琥珀酸的堆積。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 缺陷型胃腸道間質瘤中DNA 甲基化異常增強，破壞致癌基因FGF3、FGF4與周圍DNA 結合絕緣體蛋白CTCF 的結合，從而導致上述致癌基因高表達，最終促進胃腸道間質瘤生長。2021 年AGGARWAL 等［19］發現，在腎透明細胞癌中由于泛素連接酶Von Hippel-Lindau（VHL）蛋白缺失，缺氧誘導因子（hypoxia-inducible factor-α，HIF-α）降解減少，其下游基因miR-210 表達上調而使其靶標蛋白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?；揎棌V泛存在于細胞質和細胞核蛋白（如組蛋白）中。浙江大學呂志民教授團隊研究發現，組蛋白H3K79 位點的琥珀?；瘏⑴c多個腫瘤生長相關信號分子的轉錄并促進腫瘤生長［20］。該研究表明α-酮戊二酸脫氫酶（α-ketoglutarate Dehydrogenase，α-KGDH）與組蛋白乙酰轉移酶（lysine acetyltransferase 2A，KAT2A）結合后，發揮琥珀酰轉移酶的功能，可通過琥珀?；M蛋白H3K79 促進神經膠質瘤生長［20］。2020 年南開大學張曉東教授課題組報道了一個新的琥珀酰轉移酶--組蛋白乙酰轉移酶1（histone acetyltransferase1，HAT1），其可通過對組蛋白H3K122位點和糖酵解關鍵酶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 循環的一個關鍵酶，在細胞內能催化延胡索酸（fumarate）轉變成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生FH 失活性突變，導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物延胡索酸是DNA 損傷反應的關鍵元件，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，導致組蛋白H3K36me2 增強，進而增加非同源末端連接DNA 修復和腫瘤細胞存活。2017 年，該團隊又發現在葡萄糖缺乏時，AMP 依賴的蛋白激酶（adenosine 5'-monophosphate-activated protein kinase，AMPK）能磷酸化FH，導致后者在負責生長停滯的轉錄因子ATF2基因啟動子區富集，局部高濃度延胡索酸可通過抑制去甲基化酶KDM2A 活性，導致H3K36me2 甲基化增強，進而促進ATF2 靶向轉錄，導致細胞生長停滯，這種反應可被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展

線粒體代謝中間產物可作為蛋白翻譯后修飾的重要底物，該結論已受到廣泛認可。最近有研究表明，部分線粒體TCA 關鍵酶在惡性腫瘤細胞中可從線粒體轉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錄調控直接聯系起來。例如乙?；羌毎麅鹊鞍追g后修飾的主要方式之一。由線粒體丙酮酸脫氫酶產生的乙酰輔酶A（Acetyl CoA）是TCA 循環的重要代謝中間產物。同時，Acetyl CoA 也是蛋白乙?；闹饕孜?，可在組蛋白乙酰轉移酶（histone acetyltransferase，HATs）催化下介導組蛋白乙?；?，從而調控基因表達（圖1）。最近有研究發現致癌基因KRAS和AKT的表達增多可促進線粒體內的丙酮酸脫氫酶轉位到細胞核，并與HATs 形成復合物，從而使組蛋白乙?；?7-28］。而組蛋白的乙?；е翫NA 與組蛋白八聚體解離，核小體結構松弛和基因的表達，進而促進腫瘤發生［29］。

3 線粒體ROS 促進腫瘤發生、浸潤和轉移

ROS 是細胞代謝重要產物之一，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生［32］。由于O2-的強反應活性，極易造成細胞氧化損傷，因此一旦產生會迅速被細胞內超氧化物歧化酶（super oxide dismutase，SOD）轉化為H2O2［30］，而后再被過氧化物酶還原為H2O（圖2）。

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

ROS 與腫瘤的發生、浸潤和轉移關系密切。組織損傷、細胞死亡及病原感染引發炎癥遷延不愈、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境等［33］均可使細胞氧化還原平衡失調，導致線粒體產生ROS 及中間體增多，進而激活多種信號通路促進腫瘤發生和進展。例如，在正常生理條件下，KEAP1 可與抗氧化蛋白NRF2 結合并通過泛素-蛋白酶體途徑降解后者，當ROS 水平升高時，NRF2與KEAP1解離并易位至細胞核內，與Smaf蛋白以及ARE（抗氧化反應元件）結合形成異二聚體，從而啟動下游細胞抗氧化基因的轉錄（圖2）。2020年，Karen H Vousden 團隊研究指出，胰腺導管腺癌中NRF2 的負調節因子KEAP1 突變和NRF2 的功能獲得性突變皆會導致NRF2 失活，從而下調抗氧化基因TIGAR的表達，使細胞抗氧化作用減弱，ROS 持續增多而激活MAPK 通路，進而促進腫瘤轉移［5］。在非小細胞肺癌細胞中，線粒體內產生的過量ROS可激活腫瘤細胞和腫瘤相關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 等細胞遷移相關蛋白的表達，促進腫瘤轉移［34］。此外，腫瘤細胞缺氧，有限的氧分子充當電子傳遞鏈中的終電子受體，使線粒體ROS 產生增多，進而進入細胞核穩定HIF-1α 亞單位，并與HIF-1β 形成二聚體，驅動缺氧應答相關基因（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

細胞質中環鳥苷酸合酶（cyclic GMP-AMP Synthase，cGAS）可識別外源DNA 并催化產生環鳥苷酸（cyclic-GMP-AMP，cGAMP），隨后cGAMP 會通過活化轉錄因子（stimulator of interferon genes，STING）誘導干擾素的表達，引發細胞的免疫反應［36］（圖3）。由于mtDNA的原核屬性，當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

當腫瘤細胞應激時，如線粒體損傷、缺氧、炎癥等都可導致腫瘤細胞內mtDNA的釋放［37-38］。激活的cGASSTING信號通路可以誘導腫瘤細胞產生大量的轉錄因子IFN調節因子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［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鍵蛋白Drp1上調，可誘導線粒體功能障礙并誘導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，導致內分泌治療失敗。

5 小結

綜上所述，線粒體-細胞核逆行信號在腫瘤細胞內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控網絡對理解細胞內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防和治療策略。