线粒体钙离子调控肿瘤发展的作用及机制研究进展

陶雪，魏立彬，郭青龙

（江苏省南京市鼓楼区童家巷24 号中国药科大学玄武门校区，江苏省肿瘤发生与干预重点实验室，江苏 南京）

0 引言

线粒体是细胞的能量工厂，能够合成大量的腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP）为细胞供能，其提供的能量约占细胞生命活动所需总能量的95%[1]。除此以外，线粒体还参与了细胞凋亡、细胞周期调控等一系列的细胞生物过程[2]。线粒体是具有双层膜的钙存储细胞器，钙离子（calcium ion，Ca2+）分布在其膜间隙和基质中[3]。Ca2+通过线粒体上不同的转运机制穿梭于线粒体与细胞质之间，调节线粒体乃至整个细胞的生命活动。

Ca2+是机体内一种不可或缺的物质，既是细胞的第二信使，又与细胞增殖、细胞程序性死亡、肌肉刺激收缩、基因转录、信号传递等密切相关，在细胞各功能的正常运作中必不可少[4]。而细胞内Ca2+的水平依赖于内质网Ca2+的释放和细胞外空间Ca2+的流入。在正常情况下，维持一定水平的Ca2+可促进细胞存活。

Ca2+稳态的异常是许多疾病的共同病理机制之一。研究表明，Ca2+不但能被线粒体摄取和释放，而且线粒体对Ca2+的摄取和释放过程在维持胞浆钙稳态中发挥重要作用[5]。有研究报道，线粒体内游离Ca2+的浓度与其能量代谢的水平以及膜通透性的改变密切相关[6-8]；线粒体Ca2+的摄取和释放过程也会影响细胞内的钙信号[9]。这些钙信号相关活动的异常与心脏病、癫痫以及神经退行性疾病等的发生发展密切相关[10-12]。

目前，恶性肿瘤已是全球范围内最严重的公共问题之一，其发病率与死亡率逐年升高，跃居各类疾病死因的第一位，严重危害人类健康。据估计到2030 年，全球可能将新增2640 万例肿瘤患者，大约1700 万人可能死于恶性肿瘤[13]。因此，本文就线粒体Ca2+对肿瘤细胞发展的调控作用及分子机制进行综述，为以线粒体Ca2+调控为靶标的肿瘤治疗提供思路与基础。

1 线粒体Ca2+的调控

线粒体是第一个被发现的参与Ca2+转运的细胞器。线粒体是双层膜的钙存储器，由于线粒体外膜具有Ca2+高度通透性，因此膜间隙内的Ca2+浓度与胞浆内的Ca2+浓度相当。在细胞静息状态下，线粒体基质内Ca2+浓度约在0～100nmol/L 之间，与胞浆内相当[14]。当细胞处于兴奋状态时，胞浆内Ca2+浓度可升到2～3μmol/L，而线粒体基质内Ca2+浓度可升至10μmol/L，甚至更高[15-16]。线粒体对Ca2+的摄取与释放可通过单向转运机制或转运体进行调控。

1.1 Ca2+的摄取

20 世纪50 年代，科研人员发现离体的线粒体可以摄取Ca2+[17]。细胞中有两个钙池中的Ca2+可以被摄取进入线粒体：一个是细胞质中的，另一个是内质网（endoplasmic reticulum，ER）中的。

线粒体钙单向转运体（mitochondrial calcium uniporter，MCU）是普遍存在于线粒体内膜（inner mitochondrial membrane，IMM）中的Ca2+通道，通常被认为是相关模型中关键的Ca2+转运蛋白。敲除MCU 几乎可以完全抑制离体线粒体对Ca2+的摄取[18]。

MCU 是具有电生理特性的离子通道，通过MCU 摄取的Ca2+受电化学梯度的驱动。完整的Ca2+摄取调节复合物由MCU 和调节MCU 的相关分子共同组成。这种MCU 的调节分子包括MCU 调 节 蛋 白1（MCU regulator 1，MCUR 1）、MCU 调 节蛋白2（MCU regulator 2，MCUR 2）、线粒体钙离子摄入蛋白1（mitochondrial calcium uptake 1，MICU1）和线粒体钙离子摄入蛋白2（mitochondrial calcium uptake 2，MICU2）[19]等。

其中，MCUR 1 是MCU 复合物的次级子单元，其能允许离子流进入线粒体基质[20]。MCUR1 的下调可以降低Ca2+的通量，减少线粒体氧化磷酸化和ATP 的产生并激活AMPK 依赖性自噬[21]。而MCUR1 在肝癌细胞中发生上调，其表达与癌细胞的存活和肿瘤的生长密切相关。在该通路中，MCUR1 诱导了线粒体Ca2+的积累和ROS 的产生，表明MCUR1 与MCU 的结合对于功能性MCU 复合物是必需的，并且Ca2+进入线粒体是癌细胞的先决生存因子[22]。

1.2 Ca2+的释放

线粒体内膜上存在着一种钠钙锂转运体（Na+/Ca2+Li+-permeable exchanger，NCLX），它是Na+ 依赖的钠钙反向交换通道，能够正向调节线粒体内Ca2+外流。

当线粒体内Ca2+浓度过高时，会使NCLX 的活性增强，引起线粒体内膜上线粒体通透性转换孔（mitochondrial permeablize transition pore，MPTP）的开放。而Ca2+是调节MPTP 孔的中枢，既可以直接调节MPTP 本身，也可通过调节ADP/ATP 的平衡、线粒体膜电位、活性氧/ 活性氮的水平以及蛋白水平对MPTP 进行调控[23]。

研究发现，MPTP 具有一个重要的性质：MPTP 开放引起的ADP 的增加和Mg2+/Ca2+的恢复均是可逆的，这种可逆性使MPTP 的开放有持续开放和瞬时开放两种模式，可以启动细胞的死亡信号通路或者维持细胞正常的生理功能[24]。

此外，线粒体上还存在着H+/Ca2+反向转运通道蛋白1（leucine zipper EF hand-containing transmembrane protein 1，Letm1）。当线粒体基质中的Ca2+浓度较低时，Letm1 可转运Ca2+进入基质；反之，则转运Ca2+流出。研究还发现，沉默Letm1，尽管存在MCU，依然可以抑制Ca2+的内流[25]。

2 线粒体Ca2+与肿瘤细胞能量代谢

Ca2+作为第二信使几乎参与了细胞内所有的生理活动[26]。从克雷布斯于1959 年发现Ca2+能激活磷酸激酶以来，人们认识到Ca2+是潜在的新陈代谢调节剂已经50 年了[27-29]。线粒体最初被认为是具有摄取大量Ca2+能力的“Ca2+池”，且被认为仅在胞质Ca2+超载的情况下才会发生线粒体对Ca2+的摄取作用[30]。但随后在19 世纪60 和70 年代，人们发现生理浓度的Ca2+能调节线粒体的脱氢酶：甘油磷酸脱氢酶[31]。因此，Ca2+能刺激糖原分解和葡萄糖氧化，从而导致ATP 供应增加。

在19 世纪70 和80 年代，理查德·丹顿和吉姆·麦考马克的研究也表明，线粒体中Ca2+活化的脱氢酶使他们提出了一种方案，其中胞质Ca2+浓度的增加被传递到线粒体，线粒体摄取Ca2+能够活化基质酶，通过激活丙酮酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶刺激ATP 的产生，调节能量代谢[32-33]。这种“平行激活模型”提供了一种机制，其中Ca2+刺激了由各种激素、肌肉收缩或心脏负荷增加等生理活动引起的能量消耗过程，还提供了使细胞能够上调ATP 供给以跟上这种能量消耗的手段[34]。

而肿瘤细胞中的代谢重编程被认为是癌症的标志，它参与了肿瘤的生长和发展。在病程中，肿瘤细胞会发展出整体代谢适应性，使其能够在低氧气和养分的肿瘤微环境中生存。

因此，Ca2+影响线粒体的功能改变从而影响细胞能量代谢与肿瘤的发生发展密切相关，包括线粒体功能障碍、代谢转为有氧糖酵解和线粒体失调[35]。目前，肿瘤细胞代谢的适应性是癌症治疗的主要限制，并且与治疗药物的耐药性高度相关。

3 线粒体Ca2+与肿瘤细胞自噬

自噬在维持细胞稳态中发挥关键作用。因此，自噬失调会破坏正常生理过程，并牵涉包括癌症在内的各种疾病的发病机理。自噬是一种细胞分解代谢途径，在分离囊泡、自噬体和提供水解酶的溶酶体融合后，可导致蛋白质和细胞器的降解和再循环。自噬的分子过程是复杂的，涉及包括自噬相关（Atg）蛋白质在内的几种蛋白质进行成核，延伸和融合的顺序步骤[36-38]。自噬具有两个主要的生理学作用：作为质量控制机制分解功能失调的蛋白质或细胞器，以及在营养胁迫下为了维持代谢需求而回收生物大分子[39-40]。

已有研究发现，自噬可在癌症中发挥两个作用：在肿瘤早期具有保护作用，而在肿瘤晚期则促进肿瘤生长。敲除小鼠的自噬基因主要是通过增加氧化应激来增加肿瘤的多样性，这表明自噬可以防止癌症的发展[41-42]。然而，在已确定的肿瘤中，细胞外部条件（缺氧、低养分和生长因子、活性氧、乳酸）以及致癌基因Ras 和p53 对自噬的激活维持了肿瘤细胞的存活，并且有利于肿瘤的生长[43]。另外，自噬通过调节肿瘤细胞与正常细胞之间的相互作用而在肿瘤微环境中发挥重要作用[44]。除了在肿瘤起始和肿瘤生长中起着明显相反的作用外，自噬还与癌症进展相关。与原发性肿瘤相比，转移灶中自噬的标志物增加[45]，并与预后不良有关[46]。

目前研究者们认为：细胞内Ca2+是细胞自噬的潜在调节剂[47-48]，且具有“双刃剑”的特点。

3.1 Ca2+激活自噬

一些研究表明，线粒体相关ER 膜（Mitochondrial-Associated ER Membranes，MAM）的破坏会激活自噬。MAM 是Ca2+从ER转移到线粒体以调节线粒体酶的重要部位。Ca2+流主要通过ER膜中的IP3 受体和TRPM8 发生[49]，也通过线粒体膜上的电压依赖性阴离子通道（VDAC）、线粒体钙单向转运蛋白（MCU）和瞬时受体蛋白Melastatin 2（TRPM2）发生[50]。ER 和线粒体之间的Ca2+流的中断会降低OXPHOS、诱导代谢应激并激活自噬作为生存机制[49]。然而，与正常细胞不同，肿瘤细胞中MAM 破坏引起的自噬激活似乎不足以维持所需的能量水平，从而导致肿瘤细胞死亡和肿瘤生长降低[51]。

另外，Hoyer-Hansen 等也证明了，Ca2+激动剂，如毒胡萝卜素、ATP 和离子霉素，通过Ca2+激活的激酶CAMKK 刺激Hela 细胞自噬。该激酶可直接激活AMPK 来抑制mTOR[48]。最近，已经确定了该途径是人神经母细胞瘤细胞中淀粉样蛋白-β 肽诱导的自噬体形成所必需的[52]。与Ca2+对自噬的激活作用相一致，研究人员也发现线粒体裂变介导的Ca2+信号传导显著诱导了HCC 细胞自噬[53]。

3.2 Ca2+抑制自噬

另有一些研究小组发现Ca2+对自噬的抑制作用[54]。Khan 等发现，在鸡B 淋巴细胞系中，自噬流可能受到ER 释放的IP3R 依赖性Ca2+的负调控[55]。

目前发现Ca2+抑制自噬的途径有以下几种：

（1）P3R 介导Ca2+降低Beclin1 的释放，从而减少自噬体生成，抑制自噬[56]； （2）P3R 介导Ca2+活化钙蛋白酶，使自噬相关基因-5蛋白与自噬相关基因-12 蛋白分离，降低二者复合体水平，抑制自噬[57]；（3）ER 释放到线粒体的Ca2+增多，使得三羧酸循环增加，ATP 生成增多，抑制自噬[58]；（4）P3R 介导Ca2+进入线粒体，导致ATP 生成增加，AMPK 被抑制，从而抑制自噬[58]。

因此，Ca2+可能对自噬具有不同的调节作用，具体可能取决于Ca2+信号传导的时空参数、营养成分和生长因子的利用率。而细胞主要是通过自噬来对抗刺激来，因此Ca2+会影响自噬从而导致正常细胞癌变以及影响肿瘤细胞的生长。

4 线粒体Ca2+与肿瘤细胞凋亡

细胞凋亡是一种高度保守的程序性死亡过程。凋亡是主动过程，它涉及一系列基因的激活、表达以及调控。线粒体不仅能为细胞提供大量能量，作为细胞内的钙库之一也能通过调控Ca2+浓度来调节细胞的存活与死亡[59]。

对于Ca2+信号传导调节层，其为细胞提供了极大的灵活性，使得细胞可以响应内部和外部刺激来微调细胞的生理过程。然而，这个敏感的系统可以被影响，从而在细胞中驱动恶性转化。众所周知，几种类型的肿瘤细胞都经历了其内部Ca2+信号转导机制的广泛重组，从而促进了肿瘤的发生[58]。

线粒体和内质网之间可通过VDAC1、IP3R 和SERCA 在内的几种Ca2+信号蛋白进行钙离子的交流，在肿瘤的进程中发挥着重要作用。例如，在几种类型的非小细胞肺癌和宫颈癌中，VDAC1的表达水平与肿瘤的生长和侵袭相关[60]。最近在这方面发现，异种移植模型的细胞中，VDAC1 的遗传破坏显示出线粒体膜电位和ATP 含量的降低，从而导致了迁移率降低和肿瘤消退[61]。而膀胱癌细胞中IP3R1 的下调，通过减少ER- 线粒体Ca2+的摄取来防止线粒体Ca2+的超载，从而减弱顺铂介导的细胞凋亡[62]。在转化发生的结肠上皮细胞中，SERCA3 亚型的显著减少或丢失也证明了Ca2+信号在肿瘤发生中发生了重塑[63]。

最近发现，在几种癌症类型中，两种新机制的失调会影响蛋白酶体的更新，从而通过影响IP3R3 蛋白干扰内质网-线粒体间Ca2+交流，调控肿瘤细胞的凋亡敏感性[64]。

（1）抑癌蛋白PTEN 和F-box/LRR 重复蛋白2（FBXL-2）竞争与IP3R3 的结合（后者是属于Skip-Cullin1-F-box 蛋白家族的一种E3 泛素连接酶成分），从而减慢了FBXL-2 介导的IP3R3 蛋白酶体降解[65]。这代表了一种新的机制，PTEN 的这种缺失使得肿瘤细胞能够避开凋亡，由于IP3R3 的下调使促凋亡的线粒体Ca2+转移受到损害。

（2）抑癌蛋白BRCA1 相关蛋白1（BAP1）是一种去泛素化酶，其通过稳定IP3R3 来促进ER-线粒体Ca2+的转移。在长期的环境压力下，BAP1 的功能会严重受损，这与BAP1 基因的获得性失活突变有关。BAP1 的丢失会导致IP3R3 的下调，从而阻碍受损细胞的有效凋亡清除，并有利于肿瘤的发生和恶性细胞的存活[66]。

此外，癌基因（如Akt/PKB 和FATE1）以及抑癌蛋白（如PML和PTEN）可以通过Ca2+信号调节在癌症的发展中发挥其他作用[62]，例如凋亡抗性。由于线粒体Ca2+的超载与细胞凋亡死亡相关，因此在MAM 处修饰ER-线粒体Ca2+的转移会改变细胞凋亡的敏感性[67]。肿瘤细胞可以获得细胞死亡的抗性，例如，通过过度表达抑制IP3R 介导Ca2+信号传导的蛋白（如Akt78）或通过增加MAM 处的跨膜距离，使ER-线粒体Ca2+转移效率降低[68]，从而降低肿瘤细胞的凋亡敏感性。

5 结语

Ca2+通过线粒体上的各种转运机制穿梭于线粒体、内质网与胞质之间，调节着细胞的各项生理活动。线粒体内的Ca2+浓度会影响线粒体ATP 的合成、线粒体MPTP 的开放、胞质内钙信号及胞浆钙稳态的维持。因此，线粒体Ca2+具有重要的生理意义，它的异常与许多重要疾病相关，尤其在一些恶性肿瘤中发挥重要作用。

线粒体通过MCU 等摄取Ca2+进入而通过NCLX 等释放Ca2+流出，调节着线粒体内与胞质内的Ca2+浓度，维持着Ca2+稳态。细胞内钙稳态的失衡普遍存在于细胞的死亡过程中，而细胞钙信号的重组普遍发生在肿瘤细胞的进程中。

线粒体的结构与功能比较复杂，并且处于不断地分裂融合的动态过程中，还与细胞内各个细胞器之间联系紧密。因此，线粒体各个方面功能的改变都与肿瘤发生和发展密切相关。然而，目前科研人员对于线粒体内Ca2+的各项机制了解的还不全面，未来很有必要对其进行更深入的研究与探索，以期更好地了解线粒体相关肿瘤的机制，从而提供新的治疗思路。