线粒体分裂在恶性胶质瘤中的研究进展*

周 红，阮 英，吴 喆，吴红年**

(1.湖北科技学院基础医学院人体解剖学教研室，湖北 咸宁 437100；2.湖北科技学院附属第二医院皮肤科；3.湖北科技学院基础医学院组织学与胚胎学教研室)

线粒体是细胞的中心细胞器，能够完成许多基本的细胞功能，包括氧化磷酸化(Oxphos)、活性氧(Ros)产生、钙(Ca2+)信号传导，以及细胞生长和运动所需的中间代谢物合成[1-2]。研究表明，线粒体也是一种动态细胞器，它的形状、大小、位置对于细胞适应能力和提供生存、繁殖、迁移所需能量尤为重要[2-3]。线粒体分裂、融合或沿着细胞移动的机制被称为线粒体动力学。线粒体分裂是线粒体一分为二的过程，是细胞分裂所必需的过程[4]。线粒体融合有利于提高膜电位和增加氧化磷酸化，能够形成更为复杂的结构以免自身被降解[5-6]；目前研究表明线粒体动力学对胶质瘤的发生发展起着重要作用，Drp1作为线粒体分裂关键介质对胶质瘤的病理发展具有重要影响，本文将就线粒体分裂与胶质瘤的发生发展关系以及Drp1作为胶质瘤生物标志物的可能性进行综述。

1 胶质瘤和线粒体动力学

胶质瘤是临床上最为常见的中枢神经系统肿瘤，占恶性脑肿瘤的81%。胶质瘤多呈浸润性生长，很难通过手术完全切除，以致术后复发率较高，手术效果不佳[7]；因胶质瘤干细胞的存在，易产生放化疗抵抗，以致放化疗也不理想。研究报告显示，胶质瘤的预后很差(表1)，确诊后5年死亡率很高。例如，胶质母细胞瘤是最常见的胶质瘤类型，确诊后5年的存活率为5%～9%。胶质瘤如此高的死亡率，目前暂无有效的治疗措施，因此，了解该病所涉及的细胞机制对开发适当的临床治疗方法至关重要。

表1 不同类型胶质瘤的相对存活率(%)

线粒体动力学既参与细胞增殖，又与维持干细胞的多能性和细胞运动有关，因此，它在癌症发展中的重要作用并不令人惊讶[8]。研究发现，线粒体动力学在胶质瘤发展和侵袭性过程扮演了重要的作用，参与了胶质瘤的发展过程[9]。线粒体分裂在这一过程中得到加强，并参与干细胞的维持(参与肿瘤的形成和生长以及复发)、侵袭和迁移。

2 线粒体分裂和干细胞特性

2.1 干细胞特性

肿瘤干细胞是一种重要的肿瘤细胞亚群，能够实现自我更新和分化，是维持肿瘤的源泉。这些细胞可以无限增殖，能够逃避抗癌免疫反应，尤其值得注意的是它们具有化疗和放疗抗性，会介导治疗后的复发，这也是其难以治疗的原因[10]。胶质瘤干细胞的线粒体形态比非干细胞的形态更碎片化，这一现象发现是可以通过增强Drp1活性进行调控，提示线粒体分裂与胶质瘤干性有关。

2.2 线粒体分裂

线粒体分裂是将线粒体一分为二的过程，这一过程主要受Drp1进行调控。有研究发现抑制Drp1会导致干细胞增殖、自我更新和肿瘤形成能力出现障碍，表明该蛋白在维持细胞干性中具有重要作用[11]。Drp1介导线粒体分裂，在随后的几种胞质分裂中呈现对称性分布，因此，它可能通过支持细胞分裂以维持细胞干性。但有趣的是，乳腺干细胞线粒体分裂是线粒体不对称分布到子代细胞所必需的，在子代细胞中，老化或缺陷的线粒体被分离到分化程度更高的细胞，而健康的线粒体仍然留在干系子代细胞中[11-12]。这一机制有助于维持一个健康的干细胞群体，而Drp1对干细胞的影响也可能是通过这一过程介导的。

2.3 线粒体分裂的调控机制

Drp1的活性主要靠两个关键丝氨酸磷酸化位点(S616和S637)进行调节。丝氨酸616位点(S616)的磷酸化能够提高Drp1活性，而丝氨酸637位点(S637)的磷酸化则导致Drp1活性降低。调控两个位点的激酶和磷酸酶均不相同，线粒体分裂在细胞内发挥的生理功能也不同。周期素依赖性激酶1以及Cyclin B1能够激活S616磷酸化，提高Drp1活性进而介导线粒体分裂，也可通过钙调素依赖性激酶磷酸化介导线粒体分裂与细胞内钙关系[13]。cAMP依赖蛋白激酶能够激活S637磷酸化，引起Drp1失活，钙敏感蛋白磷酸酶 calcineurin引起丝氨酸637去磷酸化，激活Drp1，研究发现蛋白激酶D引起S637磷酸化激活，Drp1激活，导致线粒体发生碎片化以及功能障碍[14]。Drp1活性受到小泛素样修饰因子1型和泛素连接酶膜相关环CH蛋白5的翻译后调控以及线粒体分裂抑制剂1(Mdivi-1)的抑制，Mdivi-1是抑制Drp1的GTPase活性的小分子，能够阻止多聚作用，抑制线粒体分裂[15]。最近的研究发现，线粒体分裂并不仅仅是受Drp1调控，Drp1缺乏膜结合域，募集Drp1涉及很多分子，如线粒体动力学蛋白51和49(MiD51和MiD49)及线粒体裂变因子(Mff)[16-17]。MiD49和MiD50是Drp1的适配器，可招募Drp1(原本位于胞浆)到线粒体外膜表面介导线粒体分裂。Mff过表达募集Drp1到线粒体，导致线粒体碎片化，若缺失，线粒体无法正常碎片化，出现过度伸长。此外，线粒体分裂受裂变蛋白Fis1调控，但动物细胞普遍不会缺乏该蛋白，甚至不会出现裂变的缺陷[18]。

2.4 线粒体分裂的侵袭和迁移作用

侵袭代表进入晚期神经胶质瘤时期，这一过程在低级别胶质瘤中是缓慢的，但在成胶质细胞瘤(高级别胶质瘤)中是快速和重要的标志。值得注意的是，这种现象与预后不良有关。细胞迁移和随后入侵的原因被认为是低氧和低营养。一方面，随着胶质母细胞瘤的进展，中央缺氧区会扩大，导致该区域的细胞坏死；另一方面，坏死周围区域缺氧，缺氧会通过调节线粒体动力学来诱导迁移，促进细胞迁移和侵袭邻近的组织。进一步研究表明，缺氧会增加Drp1的mRNA和蛋白水平，从而促进线粒体分裂。片状脂质体(允许细胞运动的细胞质突起)的形成，需要将线粒体碎裂并重新分布到细胞外围，因此，线粒体分裂在这一过程中起着关键作用[19]。

转录因子缺氧诱导因子1(HIF1)是缺氧反应的中心，能够增强Drp1的表达，介导细胞向更多含氧区迁移。同时缺氧诱导HIF1的稳定和激活，促进其靶基因的转录，这些基因参与缺氧反应过程，如增强葡萄糖摄取和血管生成[20]。重要的是，存在于胶质瘤细胞线粒体内的DISC1蛋白(DISC1)也能增强Drp1的表达，这种蛋白是三磷酸腺苷(ATP)生产和钙缓冲的中心，与线粒体功能高度相关。DISC1允许马达和接头蛋白之间的相互作用，对于线粒体通过细胞骨架的运输至关重要。Gao等[21]发现DISC1提高了Drp1的表达和蛋白水平，并参与了细胞迁移。也许，这种蛋白可能会引导一个涉及线粒体分裂和随后运输到细胞外围的程序，从而允许片状脂质体的形成和胶质瘤细胞的迁移。这一调控机制表明，不仅线粒体分裂增强，而且线粒体与细胞骨架的相互作用增强以及随后的转运也可能参与了胶质瘤的恶性进展[22]。但对于胶质瘤中DISC1上调以及DISC1增强的Drp1表达的机制仍不清楚，因此，还需要进一步的研究。

3 Drp1预后的潜在价值

判断癌症患者的预后具有重要作用，因为它表明抗癌治疗是否合适。Drp1与胶质瘤的发展和进程密切相关，可以缓解患者因不确定性引起的焦虑，必要时可用于临终关怀计划[23]。

已经评估了几种分子在胶质瘤中的预后价值，目前使用最多的生物标志物是异柠檬酸脱氢酶(IDH)状态。已观察到一些胶质瘤呈现IDH突变，改变该酶的活性，阻止其正向反应(异柠檬酸转化为α-酮戊二酸)，并改变反向反应，导致肿瘤代谢物2-羟基戊二酸(2-HG)而不是异柠檬酸的产生[24]。IDH状态已被报道具有重要的预后价值，因为该突变与胶质瘤的侵袭性和分级呈负相关。

然而，更有用的生物标志物可以被开发出来。还可以找到提供其他相关信息的生物标志物。例如，我们可以搜索一个连续的(而不是离散的，如IDH突变)生物标记物，它提供更准确的信息，并且除了告知每一级别胶质瘤的预后外，还支持分级[25-26]。Drp1的表达或蛋白水平以及磷酸化状态，都是连续的参数。如前所述，与胶质瘤的侵袭性相关。因此，在胶质瘤患者中，这些参数可以作为新的预后标志物[27]。事实上，先前已经报道过Drp1激活磷酸化与胶质母细胞瘤(IV级胶质瘤)患者预后的相关性[28]。然而，这一参数与所有胶质瘤分级的预后之间是否存在相关性仍有待确定。此外，为了确定该生物标记物是否能同时提示预后和恶性程度，有必要确定Drp1磷酸化水平的连续体与恶性程度之间是否存在相关性。重要的是，这些相关性是可能存在的，因为正如前面提到的，Drp1与细胞干性和侵袭性有关，这些特征随着胶质瘤分级的增加而增加，并降低预后。

值得注意的是，除了胶质瘤分级外，Drp1生物标志物还可以提供关于侵袭性的准确信息，并提示手术切除是否合适。常规标准的胶质瘤手术治疗，可能会发生几种并发症，即血管或健康脑组织损伤、血肿、癫痫发作、脑积水、脑脊液渗漏、感染以及深血管血栓形成等[29]。在这种情况下，如果胶质瘤是高度侵袭性的，正如Drp1生物标志物升高所表明的那样，手术可能会带来更多的坏处而不是好处，因此，可以寻找其他的替代方案。

此外，与IDH相比，Drp1生物标记物还具有另一个优势。重要的是，IDH筛查提出的问题是，并不是所有的肿瘤都有相同氨基酸的突变[30]。通常情况下，IDH突变发生在氨基酸132上[29,31]，临床上只寻找该残基上的IDH突变，可能会得到假阴性结果。而通过测定Drp1的表达、水平或激活S616磷酸化不会发现这个问题。因此，应该考虑使用Drp1生物标记物，因为它将提供准确的预后信息，以及额外的数据。最后，值得一提的是，Drp1的表达和蛋白水平也可以作为预后的生物标记物。然而，使用激活磷酸化水平会更准确，因为可以在不增加Drp1活性和线粒体支离破碎形态的情况下得到增强。

4 展 望

线粒体分裂在胶质瘤中增强，因为分裂参与迁移和侵袭，以及干细胞的维持，是胶质瘤发展的中心。因此，分裂应被认为是胶质瘤细胞的恶性优势。这些信息应该用于临床，例如，开发准确和新颖的基于Drp1的预后生物标记物。由于Drp1参与了胶质瘤形成的显著过程，而且也是一个连续的参数，因此，它不仅对预后有帮助，而且在分级中也是有用的。因此，在这方面的研究可能是为了建立胶质瘤分级与Drp1表达、水平或磷酸化的连续体之间的相关性。此外，关于线粒体动力学失调的信息也可能用于抗肿瘤药物的开发，因为阻断胶质瘤细胞的分裂可能是有用的。重要的是，这种抑制可能是选择性的，因为阻碍神经元的分裂将对突触产生致命的影响。有趣的是，Drp1还参与过氧化物酶体的分裂，据报道这些细胞器具有致瘤作用。总之，线粒体分裂可作为抑制胶质瘤的一个重要方向，未来值得研究。