线粒体与癌细胞的代谢

王戡，张亚军

线粒体与癌细胞的代谢

王戡，张亚军

线粒体可以为细胞提供能量，除此之外，它还可以产生活性氧（ROS）、代谢产物和还原性小分子来调控合成代谢、细胞信号、细胞死亡以及抗逆性，这使得线粒体成为重要的应激性感受器，因此线粒体在肿瘤发生过程中发挥重要作用。但是，线粒体在癌细胞中的作用不尽相同，这取决于肿瘤的基因、所处的环境以及不同的组织起源；同样的，不同种类癌细胞中线粒体的作用也不尽相同，取决于其遗传特性、生存环境以及组织起源。因此，没有一个简单而又标准的模式来描述线粒体在癌细胞形成过程中的作用，本文试图总结线粒体与癌细胞代谢和信号通路之间的关系，以期为癌症的治疗提供可行的方案。

1 线粒体与癌细胞代谢

细胞在发生癌变的过程中，细胞内的物质和能量会进行重塑，从而支持和帮助癌细胞的存活，以及癌细胞内生物大分子的合成和能量供应的需求[1]。线粒体是细胞内所有代谢反应的中心环节，在癌细胞的糖代谢、氨基酸代谢和脂肪代谢中都发挥着重要作用，通过不同机制的调节使得物质和能量变化都能适应癌细胞的生长需求。

1.1 线粒体在癌细胞糖代谢中的作用

正常细胞中的线粒体会通过有氧呼吸将葡萄糖完全氧化，但是，癌细胞却会将糖酵解中间代谢产物转移到各种不同的途径中去，例如：丝氨酸合成途径、脂质合成途径和戊糖磷酸途径。在某些癌细胞中，这一过程是通过线粒体抑制丙酮酸的利用而实现的，而丙酮酸的利用是由丙酮酸激酶（PKM）来调控的，它催化糖酵解的最后一步使得葡萄糖变成丙酮酸。癌细胞特异性上调活性较低的 PKM2 同工酶，使得上游的糖酵解产物积累并且用于合成代谢[2]。在另外一些癌细胞中，线粒体丙酮酸载体（MPC1 和 MPC2）在许多癌细胞中抑制或消失，由此激发了三羧酸循环（TCA循环）的氧化补偿通路，包括上调谷氨酰胺胺解、利用脂肪酸和支链氨基酸，从而使得丙酮酸完成转移[3]。

1.2 线粒体在癌细胞氨基酸代谢中的作用

谷氨酰胺是三羧酸循环氧化的底物，是氨基酸代谢过程中大分子合成的起始材料[4]。谷氨酰胺的酰胺态氮在氨基酸和核苷酸合成中被利用，谷氨酰胺派生的碳在谷胱甘肽、氨基酸和脂质合成被利用。在许多癌细胞中，由于谷氨酰胺的消耗增加会使得肿瘤细胞的生长速度加快。另外，转氨酶利用谷氨酸的氮，偶合酮戊二酸的产物合成非必需氨基酸，癌细胞可以利用这一通路来进行生物合成以及维持氧化还原的平衡[5]。在癌细胞中，由于电子传递链或者 TCA 循环中酶突变所导致的线粒体功能异常，使得谷氨酰胺衍生出的α-KG 经历了还原性的羧化作用，从而提供生物合成和维持体内氧化还原反应的平衡。还原羧化作用也可以通过减轻协调一致的细胞周期内线粒体的 ROS，支持肿瘤细胞在球面培养基上非锚定的独立生长。当食物被氧化成为合成前体后，电子就从碳上被转移下来[6]。因此，在高度增殖的细胞中，电子受体迅速变得非常有限。线粒体呼吸作用能够协调氧化作用，补充电子受体辅因子 NAD+和 FAD[7]。另外，线粒体还可以通过一碳代谢核苷酸合成来促进肿瘤的进程[8]。

1.3 线粒体在癌细胞脂肪代谢中的作用

目前，在分子水平上，对癌细胞脂肪代谢过程的研究并不是很清楚。对于不同的癌细胞来说，其脂肪代谢途径与癌细胞的类型是相关的。在某些癌细胞中，脂肪酸氧化代谢（FAO）途径会被上调，但是其他种类的癌细胞却更加依赖于脂肪的合成途径[9]。脂肪生成的增加几乎是所有癌细胞的共性，大部分产生的脂肪都在细胞增殖中用于细胞膜的构建。柠檬酸裂合酶（ACLY）使得线粒体来源的柠檬酸转化成细胞质基质中的乙酰辅酶 A，从而促进脂肪生成，抑制其活性会降低肿瘤的发生，这一点在许多实验模型中都得到了证实[9]。与此相反的是，某些类型的癌细胞包括淋巴瘤和白血病，主要依靠脂肪酸氧化代谢来提供能量，另外，脂肪酸氧化代谢的产物乙酰辅酶 A 可用于染色质表观遗传学的改造，继而引起代谢持久性的改变[10]，因此，对于在应激状态下的癌细胞来说，脂肪酸氧化代谢是一条细胞偏爱的途径。例如，当乳腺癌细胞丧失与细胞外基质接触时，脂肪酸氧化代谢对其生存就起到了至关重要的作用[10]。

2 线粒体与癌细胞之间的信号网络

2.1 经典致癌信号通路对线粒体的影响

经典致癌信号通路可以改变线粒体的功能，从而支持肿瘤发生。肿瘤抑制因子和致癌因子可直接调控线粒体生物学（图 1）。之前提到的致癌基因 c-Myc，除了可以促进线粒体的生物合成之外，与癌细胞线粒体能量代谢密切相关[11]。缺氧诱导因子 HIF-α 可以在低氧环境下提高糖酵解的代谢速率，并且抑制线粒体的呼吸作用。线粒体来源的 ROS 通过抑制脯氨酰羟化酶（PHD，HIF 信号通路的负调节子）来调节 HIF-α的代谢通路[12]。p53 是一个常见的突变肿瘤抑制因子，p53 也有通过转录激活代谢基因来调控细胞代谢的功能[13]。p53 限制糖酵解，驱动电子传递链的组装和维持所需基因的转录。除了对于线粒体活性的转录调节，p53也会针对外界产生应激反应，通过与 Bcl-2 的结合，直接作用于线粒体来诱导细胞凋亡[13]。肿瘤中的 p53 突变体不能再和 Bcl-2 进行结合，因此不能引发线粒体外膜通透性的增加，因此，p53 突变体通过直接的线粒体作用可以促进癌细胞的存活。

图 1 经典致癌信号通路与线粒体的关系（受 c-Myc，mTOR，p53 和 K-Ras 信号通路调控的线粒体关键代谢机制）

细胞内一些重要的信号转导通路也能够和线粒体直接发生作用。致癌基因 K-Ras 通路在细胞增殖、细胞凋亡和代谢方面都有多重的效应，因此，致癌基因 K-Ras 导致了线粒体调节的转化作用的协同。许多 K-Ras 依赖的机制抑制了线粒体的呼吸作用，包括线粒体分裂、复合体 I 的转录下调、磷酸甘油酸激酶 I（PGK1）催化的 ERK 磷酸化依赖的线粒体易位[14]。致癌基因 K-Ras 也促进了线粒体自噬的上调，可以使细胞在饥饿条件下维持线粒体的功能[15]。激活的 K-Ras 对癌细胞中自噬的抑制导致了在饥饿状态下线粒体呼吸作用、TCA 代谢和能量水平的下降，因此，这条通路对于癌细胞在缺乏食物的微环境中的生存是十分重要的[16]。PI3K/Akt 信号通路也有刺激细胞生长，上调糖酵解的作用[17]。激活的 PI3K/Akt 通路下游一个主要的效应因子是 mTOR，它参与细胞对营养和生长物质的感知，从而通过翻译、合成代谢和自噬来调节细胞生长[18]。除了调节线粒体的生物合成，mTOR 信号通路还刺激线粒体的多条氨基酸代谢通路。AMP 调控的磷酸激酶通路（AMPK）在低能量状态下被激活，直接抑制了包括恢复能量平衡的mTOR1 在内的许多靶点。AMPK 对已经形成的癌细胞来说，在代谢适应和线粒体稳态方面都有着积极的作用。例如，对应电子传递链的功能紊乱，激活的 AMPK 直接通过线粒体裂解因子的磷酸化导致了线粒体的碎片化[19]。

2.2 线粒体的信号对肿瘤发生的影响

从线粒体传出的信号也能够反过来进一步影响细胞的功能和肿瘤生成。线粒体是重要的应激性感受器，线粒体的反向信号使得细胞能够适应它所处的环境。例如，三羧酸循环、β 氧化和电子传递链等在内的线粒体代谢通路所产生的代谢产物，可以通过染色质的修饰和细胞质溶胶中的信号通路将核基因进行重塑，或者可以通过影响 DNA 的甲基化以及组蛋白的乙酰化修饰调控染色质的状态。除了对染色质的修饰，从线粒体来源的柠檬酸产生的乙酰辅酶A 可以将线粒体来源的蛋白进行乙酰化，从而调节蛋白的活性[20-21]。因此，线粒体来源的代谢产物可以影响细胞的信号通路、细胞核转录和染色体的修饰。

线粒体的完整性也是线粒体发出的重要调控信号，细胞对线粒体完整性的感知可以使得其应对不健康的或者功能异常的线粒体。例如，由于正常线粒体产生的膜电势对于蛋白质通过 TIM22 和 TIM23 转运复合体进入线粒体膜间隙和基质是必需的，因此膜电势的消失也会影响蛋白转运。如果蛋白转运缺陷非常严重，就会引发自噬去清除这些功能失常的线粒体。另外，通过电子传递链产生 ATP 是一项重要的信号输出，随着电子传递链活性的降低，AMP/ATP 的比例增加，可以激活 AMPK 的通路。电子传递链失活可以导致 NAD+的水平下降，而 NAD+是去乙酰化酶和多聚-ADP核糖蛋白家族的底物，在肿瘤发生中具有很多功能[22-23]。

2.3 线粒体产生的致癌代谢物对肿瘤发生的影响

线粒体产生的致癌代谢物增强了其对染色体结构的影响，从而促进了肿瘤发生。在急性骨髓性白血病（AML）和恶性胶质瘤中，存在异柠檬酸脱氢酶突变，能够将 α-KG还原成为致癌的代谢产物 (R)-羟基戊二酸[(R)-2-HG][24-25]。在星形胶质瘤中，(R)-2-HG 降低了 HIF-α 的水平，导致了癌细胞的大量增殖。另外，癌细胞三羧酸循环中琥珀酸脱氢酶和延胡索酸水化酶的活性丧失，会生成过量的琥珀酸和延胡索酸，成为致癌代谢物，这成为了遗传性副神经节瘤综合征、遗传性平滑肌瘤综合征和肾细胞癌综合征的发病原因。琥珀酸和延胡索酸的积累稳定了致癌蛋白转录因子HIF-α[26]。在延胡索酸水化酶缺陷的肿瘤细胞中，延胡索酸的积累导致了蛋白质琥珀酰化的增加，致使细胞内抗氧化信号通路的上调，改变氧化还原平衡条件，从而促进癌症发生。

3 线粒体在癌细胞代谢中的临床应用

线粒体由于控制着能量代谢和物质代谢，在癌细胞代谢中处于中心环节，因此，在癌细胞代谢的各个环节中，特异性地靶向药物（如小分子、抗体等）的临床应用为癌症的治疗提供了潜在的可能，下面以肾癌、卵巢癌和结肠癌为例来说明线粒体在癌细胞代谢中的临床应用。

3.1 肾细胞癌

肾细胞癌（renal cell carcinoma，RCC）是线粒体在癌细胞代谢通路中发挥重要作用的最好例证。肾细胞癌是成年人最常见的肾脏癌症，占所有肾脏肿瘤的 90% ～ 95%[27]。肾细胞癌是典型的缺氧性肿瘤，主要依靠糖酵解获得 ATP。肾细胞癌的癌细胞对化疗、放疗和免疫疗法都有很强的耐药性。新型靶向治疗药物在临床上已经取得了突破性进展，例如舒尼替尼（sutent）和索拉非尼（nexavar）[28]。

在大多数肾细胞的癌患者中，VHL（von Hippel-Lindau）肿瘤抑制基因活性是丧失的，造成 HIF-1α 积累，以及肿瘤细胞对跨膜转运蛋白-葡萄糖转运体 1（glucose transporters，GLUT1）的高度依赖[29]。因此，通过设计 GLUT1 的抑制剂可以治疗 VHL 失活的肾细胞癌患者。STF-31 就是一种GLUT1 的小分子抑制剂，它通过以 VHL 依赖的方式抑制葡萄糖摄入以及 ATP 的生成，从而诱导细胞死亡，达到抑制肿瘤生长的目的[30]。

3.2 卵巢癌

卵巢癌（ovarian malignant tumor）是女性生殖器官常见的恶性肿瘤之一，对女性的生命安全造成严重的威胁。卵巢癌的发病机制非常复杂，研究发现，利托那韦（ritonavir）可以诱导卵巢癌细胞凋亡，这可能与利托那韦可以抑制胰岛素依赖型 GLUT4 活性从而抑制 PI3K/Akt 通路有关[31]。同时，卵巢癌组织中的葡萄糖转运体（GLUT 1 和 GLUT 3）高水平表达与不良预后密切相关[32]。

氯尼达明（lonidamine）是一种吲哚衍生物，作为口服己糖激酶抑制剂被广泛应用。研究发现，氯尼达明还具有抗肿瘤的活性，它可以将己糖激酶与线粒体解偶联，此类研究已进入临床前和临床试验阶段[33]。临床试验结果表明，氯尼达明可以提高卵巢癌的化疗敏感性，但这一结果仍然需要进一步的证实[34]。

奥利司他（orlistat）是胃肠道脂肪酶和脂肪酸合成酶的抑制剂，研究发现奥利司他也具有抗肿瘤活性，它通过抑制卵巢癌细胞 PKM2 的活性从而抑制肿瘤细胞的增殖，这表明其在卵巢癌的治疗方面有着潜在的应用价值[35]。

3.3 结肠癌

结肠癌是常见的消化道恶性肿瘤，发病率位于胃肠道肿瘤的第 3 位，以 40 ～ 50 岁年龄组发病率最高。研究显示与癌旁组织相比，线粒体中的丙酮酸脱氢酶激酶 PDK3 在结肠癌组织中的表达极大的增加，因而抑制了细胞的凋亡并增加了对顺铂或紫杉醇的耐药性[36]，因此，PDK3 可能是一个潜在的新的提高化疗疗效和克服药物耐药的靶点。

丁酸是结肠细菌发酵产生的短链脂肪酸，在结肠癌细胞中丁酸可以特异性地靶向丙酮酸脱氢酶复合体的活性。肿瘤细胞经过丁酸的治疗后表现出乳酸减少并抑制肿瘤细胞增殖[37]。同时，国内一项研究采用 siRNA 干扰质粒技术降低了结肠癌细胞中 PDK-1 的表达，使结肠癌细胞在较低的药物浓度下达到较高的凋亡率[38]。另外，查阅临床试验的官方网站（clinicaltrials.gov，编号 NCT00609310）可以发现，黄酮类化合物（apigenin）对结直肠癌复发影响的临床研究正在展开。

综上所述，线粒体是一个非常复杂的细胞器，它不仅是细胞能量和代谢的场所，还在癌症发生过程中发挥着重要的作用，影响癌细胞的产生、生存和转移。线粒体与癌细胞发出的信号相互影响，相互调节，因此，为了能够更加有效地治疗癌症，需要将线粒体与癌细胞的密切关系考虑在内，使用联合疗法攻克癌症。

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10.3969/cmba.j.issn.1673-713X.2017.01.014

100029 北京，中日友好医院手术麻醉科

张亚军，Email：drzhangyajun@hotmail.com

2016-10-14