线粒体特征及相关疾病的研究进展

张媛 颜承云

【摘要】线粒体是诱导细胞死亡的各种抗癌药物的重要靶点。为了最大限度地发挥线粒体靶向给药系统的治疗作用，该文章简述线粒体的结构、功能及线粒体相关疾病方面的研究进展，为治疗癌症方法的进一步发展提供理论参考。

【关键词】线粒体;癌症;结构;功能;疾病

【中图分类号】R94 【文献标识码】A 【DOI】

恶性肿瘤是一个主要的健康问题，在过去几十年中发病率及死亡率持续上升[1]。尽管各种抗癌药物和治疗方法在过去几十年中得到了广泛的发展，如手术、化疗、放疗、免疫治疗、激素治疗等。但由于药物对正常组织的毒副作用以及肿瘤细胞的耐药性限制了抗癌的疗效，且这些治疗方法伴随着严重的毒副作用和复发风险，治疗效果较差，使癌症难以治愈。这就需要开发新的治疗方法，以提高疗效、减少副作用、降低生产成本。

纳米粒目前应用于物理学、材料科学、化学、生物学和医学等领域，是恶性肿瘤治疗的新趋势，且近年来在纳米肿瘤学领域取得了令人瞩目的成就。纳米粒的设计方式多种多样。其中，线粒体是细胞中最重要的细胞器之一，调节与钙稳态、能量产生、呼吸循环、氨基酸代谢和氧化还原和细胞凋亡调节相关的重要信号转导和代谢过程[2-4]。线粒体对细胞的存活起着关键作用。一方面，线粒体合成三磷酸腺苷（ATP），通过线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）维持细胞活力所需的能量;另一方面，受损的线粒体产生活性氧（ROS）、细胞色素C和其他信号，通过激活caspases家族蛋白启动细胞凋亡[5]。线粒体功能紊乱通常表现为ATP生成效能的丧失，这是衰老和大多数慢性疾病的特征，如神经退行性疾病、癌症和糖尿病。因此，线粒体靶向治疗是解决难治性疾病的关键，在各种疾病的治疗中具有巨大的潜力。细胞癌变的重要指标是代谢失衡和细胞死亡抵抗力增强，而这两个过程都受线粒体的调控。因此，为了最大限度地发挥线粒体靶向给药系统的治疗作用，我们需要了解线粒体的结构、功能及癌症中的线粒体异常特征并了解线粒体相关疾病。

1 线粒体结构与功能

1.1 线粒体结构

线粒体的结构与细胞中的其他亚细胞器有很大的不同。线粒体基本结构可分为四个功能区：线粒体外膜（OMM），膜间隙（IMS）线粒体内膜（IMM）和线粒体基质（MM）[6]。OMM具有光滑的表面形态，并用作细胞器膜边界。在OMM的特异性受体被称为线粒体外膜复合物，其选择性地识别和摄取某些物质进入线粒体。相比之下，线粒体外膜可渗透各种小分子，而IMM的渗透性是选择性的，甚至对氢等小离子基本上是不可渗透的。IMM向内折叠形成具有更大表面积的线粒体嵴，因此它能够在每单位时间内进行更多的生化反应。IMM其中包含参与电子传递链（ETC）和5’-三磷酸腺苷（ATP）合成的各种蛋白质。ETC是一种含有一系列质子泵复合体的线粒体通路。通过氧化还原反应将电子从电子供体依次转移到电子受体。在这些反应中释放的能量被捕获为IMS和基质之间的质子梯度，从而产生-160到-180mV的強负内膜电位。然后通过化学渗透将保持在电化学势中的能量用于ATP合成。ETC主要通过氧化磷酸化（OXPHOS）和三羧酸循环负责能量代谢和ATP生产[7]。OMM和IMM这两个膜定义了线粒体外区域、膜间空间和基质的边界[8]。线粒体在细胞内的形态和位置非常重要，通过有丝分裂、生物发生和自噬过程的严格调控，保证线粒体群体的相对稳定性。

线粒体以环状线粒体DNA（mtDNA）的形式拥有自己的自我复制基因组。通常，一个动物细胞包含100到10000个mtDNA拷贝。人类mtDNA编码线粒体转运RNA、核糖体RNA和一些疏水性ETC蛋白。mtDNA或编码线粒体蛋白的核DNA基因中的突变会导致遗传性线粒体疾病的发生。线粒体拥有自己的基因组（mtDNA），尽管如此，大多数线粒体蛋白质和酶在细胞核中编码并在细胞质中翻译为未折叠的前体蛋白。然后被称为外膜和内膜的易位酶（分别为TOM和TIM）通过专门线粒体膜包埋蛋白复合物导入线粒体。前体蛋白的N端带有线粒体靶向信号肽，特异性靶向于TOM受体。这些序列是特定的阳离子两亲性α-螺旋。线粒体内部高度负的电化学梯度驱动阳离子MTS标记蛋白通过TIM复合物[9]。线粒体靶向信号肽通常在进入线粒体内部时从导入的蛋白质上裂解下来。在这个区域，导入的蛋白质呈现折叠构象。参与细胞色素C等内源性凋亡途径的线粒体蛋白存在于膜间隙。利用这些独特的线粒体特性，研究人员一直在利用它们作为开发线粒体纳米载体的靶向机制[10]。

1.2 线粒体功能

线粒体参与动物细胞的许多重要过程，包括能量产生、脂肪酸氧化、三羧酸循环、钙信号传导、渗透性转变、细胞凋亡等。

线粒体的主要功能是产生ATP。在细胞中，以ATP形式存在的必需能量以两种方式产生：在细胞质中作为糖酵解的产物，以及在线粒体中作为氧化磷酸化的产物。以脂肪酸和丙酮酸形式存在的底物分别通过脂肪酸β-氧化和TCA循环被氧化。这些反应产生的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸和黄素腺嘌呤二核苷酸被电子传递链用来生成ATP。

线粒体电子传递链由位于IMM中的酶复合物组成。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸提供的电子被复合物I接受，来自黄素腺嘌呤二核苷酸的电子被转移到复合物II。然后电子被辅酶Q传输到复合体III，最后被细胞色素C通过复合体IV传输到氧分子。电子流伴随着质子从线粒体基质泵送到膜间隙。由此产生的质子梯度通过复合物V产生ATP。

在细胞中储存钙阳离子的主要是由内质网完成，但线粒体也能够暂时储存钙[11]。线粒体外膜对Ca2+离子具有通透性，Ca2+离子通过位于IMM中的钙单向转运体进入线粒体基质。钙的释放引发钙尖峰或钙波，对细胞信号级联产生很大影响[12]。

线粒体通透性转变（MPT）是对小于1500Da的分子的IMM通透性的即时增加。MPT开放导致去极化、Ca2+释放和ROS产生，以响应某些刺激，例如Ca2+增加、内质网应激、脂肪酸和无机磷酸盐[13]。短期开放可能满足生理功能，如Ca2+调节和ROS产生。而长期MPT开放可能导致细胞死亡等有害影响[14]。线粒体形成一个调节细胞凋亡的内在途径的中央细胞枢纽。MPT开放导致细胞色素C退出、半胱天冬酶激活和细胞凋亡[15]。即使没有半胱天冬酶的激活，线粒体外膜的通透性也可能导致半胱天冬酶非依赖性细胞死亡。

2 线粒体与疾病

线粒体损伤后，细胞形态、膜电位和对Ca2+通透性的改变、膜磷酸酯的减少、氧化磷酸化偶联等影响整个细胞的正常功能，导致疾病的发生。例如线粒体肌病、脑肌病、Leber遗传性视神经病变等都是由线粒体损伤后的病理变化引起的。

此外，受损的线粒体结构和线粒体代谢异常在许多疾病的发生和发展中也起着重要作用[16]。例如，除了神经退行性疾病[17]、精神疾病[18]、肿瘤、衰老[19]、心血管疾病[20]、糖尿病等。尽管这些疾病出现在不同的组织部位并表现出不同的症状，但线粒体功能障碍是其共同特征，主要表现为氧化磷酸化受损、ROS增加和细胞凋亡信号异常导致生产能力不足。下面给出了线粒体参与这些疾病发展的一些例子。

2.1 代谢综合征

代谢综合征是高血压、高血糖、腹部肥胖和胆固醇或甘油三酯水平异常的一组综合病症。代谢综合征大大增加了心血管疾病、中风和2型糖尿病的风险。许多报道提到与健康个体相比，2型糖尿病患者的线粒体功能障碍和氧化磷酸化能力较低。2型糖尿病和肥胖都会导致血浆酰基肉碱的积累，这可能是由于线粒体内脂肪酸的β-氧化减少。

啮齿动物和人类的骨骼肌中，高脂肪饮食会增加线粒体释放H2O2的潜力，将细胞氧化还原环境转变为更氧化的状态，并在线粒体呼吸功能没有任何变化的情况下降低氧化还原缓冲能力。研究表明，尽管饮食高脂肪，但降低小鼠肌肉中线粒体H2O2的排放可以完全保持胰岛素敏感性[21]。

2.2 心血管疾病

心血管系统强烈依赖于线粒体功能。心肌细胞具有非常高的线粒体含量以产生必需的ATP，线粒体功能障碍不可避免地导致心血管疾病的发展[22]。

线粒体钙转运的改变会导致ROS生成和MPT放，也会导致ATP生成异常，从而导致心力衰竭和缺血再灌注损伤。在糖尿病心肌病小鼠模型中也发现了线粒体功能障碍[23]。

外周动脉疾病具有复杂的病理生理学，但也被证明是由线粒体呼吸能力下降和氧化应激引起的[24]。

2.3 神经退行性疾病

现在越来越多的证据表明在阿尔茨海默、帕金森病、亨廷顿病和肌萎缩侧索硬化等神经退行性疾病的发病机制与线粒体功能障碍密切相关。

阿尔茨海默病的病理生理学仍不清楚，迄今为止，淀粉样蛋白级联假说仍占主导地位。然而没有一种候选药物能够阻止淀粉样蛋白β-肽的积累。因此，线粒体功能障碍被认为是导致淀粉样蛋白β-肽沉积、突触变性和神经原纤维缠结形成的散发性阿尔茨海默病的主要原因[25]。阿尔茨海默病患者和动物模型中线粒体功能障碍的证据支持这一假设。这种方法还确定了位于线粒体中的新的替代治疗靶点[26]。

帕金森病的特征表现为静止性震颤、运动迟缓和强直。这些症状的出现是由于黑质多巴胺能神经元的丢失。研究证明，线粒体呼吸缺陷可能导致慢性ROS产生，从而导致多巴胺能神經元死亡。由于毒性损伤或其他条件引起的线粒体动力学破坏也可能导致神经退行性变。在某些情况下，基因突变引起的线粒体功能障碍是帕金森病发病和遗传的根本原因。

亨廷顿病是由亨廷顿基因中CAG重复序列的异常积累引起的。在亨廷顿症患者的神经元中发现了多种线粒体异常[27]。亨廷顿病的主要神经病理学特征在用线粒体毒素3-硝基丙酸治疗的动物身上重现[28]。

肌萎缩侧索硬化是一种进行性神经退行性疾病，影响大脑和脊髓中的运动神经元。肌萎缩侧索硬化的病因在很大程度上仍然未知，但在一些常见的肌萎缩侧索硬化中，它的发生是由于细胞质超氧化物歧化酶基因的突变。这种突变的酶也位于线粒体中，导致轴突线粒体形态和分布的改变[29]。表达靶向线粒体的突变超氧化物歧化酶足以导致运动神经元丢失和肌萎缩侧索硬化表型[30]。

2.4 肌肉疾病

Duchenne型肌营养不良症是一种具有抗肌萎缩蛋白有害突变的X连锁隐性遗传疾病。Duchenne营养不良还具有线粒体功能障碍的一些特征，包括ATP合成减少和MPT孔开放导致肌纤维死亡。

包涵体肌炎是一种炎症性肌病，与阿尔茨海默病一样，是一种淀粉样蛋白疾病，其特征是炎症和肌纤维中Aβ寡聚体和其他蛋白质聚集体的积聚。线粒体内稳态在这种疾病中受到很大影响[31]。

2.5 炎症性疾病

几乎所有上述疾病的特点是全身慢性炎症反应。此外，线粒体功能障碍在急性人类疾病的炎症反应中起着重要作用。全身炎症反应综合征（SIRS）是一种对严重损伤（包括缺血、急性胰腺炎、创伤和败血症）产生全身免疫反应的病理状态[32]。SIRS由不同的因素引起，包括损伤相关分子模式（DAMPs）、病原体相关分子模式（PAMPs）和细胞因子。过度的炎症反应可能导致多器官的致命衰竭。接下来对线粒体ROS在SIRS中的重要作用进行综述。

促炎细胞因子IL-1β的产生受NLRP3炎症小体的调节，NLRP3炎症小体与各种人类自身炎症和自身免疫疾病有关[33]。产生ROS的线粒体大大增强了NLRP3炎症小体复合物的活性[34]。

由于线粒体有细菌的血统，许多线粒体成分可能起到损伤相关分子模式抑制作用，促进急性炎症反应。线粒体损伤相关分子模式通过与相应的模式识别受体的相互作用引起强烈的免疫反应。最新研究表明，新合成的mtDNA增强NLRP3炎症小体的激活[35]。细胞外mtDNA还会引发许多细胞类型的炎症反应，包括中性粒细胞[36-37]。像细菌一样，线粒体以N-甲酰甲硫氨酸残基开始蛋白质合成。这些蛋白质还起到损伤相关分子模式的作用，激活中性粒细胞并驱动它们的趋化性[38]。

3 结束语

近年来，对线粒体结构和功能的研究进展迅速。例如，通过基因组编辑技术修复线粒体DNA突变对心血管疾病有一定的疗效[39]。如线粒体替代疗法，它用健康的线粒体补充细胞，是一种从根本上治疗线粒体相关疾病的有希望的方法[40-41]。尽管线粒体相关疾病的治疗已经付出了巨大的努力，但在大多数情况下，线粒体的结构和功能已经受到不可逆转的破坏，导致治疗效果有限。目前，光疗和小分子抗癌药物等联合疗法已被开发作为协同治疗的替代方案[42]。探讨线粒体的结构功能特征，对线粒体纳米靶向治疗肿瘤具有重大意义。

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作者簡介：

张媛，在读硕士研究生。研究方向：药物新型递送系统的研究。

*通讯作者：

颜承云，教授，博士。研究方向：药物新型递送系统的研究。