线粒体功能障碍与肝细胞癌的关系

高小强， 左 石， 贾晓东， 陆荫英

1 贵州医科大学附属医院 肝胆外科， 贵阳 550004;2 中国人民解放军总医院第五医学中心 肝脏肿瘤诊疗与研究中心， 北京 100039

肝细胞癌(HCC)发病率占原发性肝癌的90%以上，是全球第五大常见肿瘤类型，其发病与病毒性肝炎、酒精性肝病、非酒精性脂肪性肝病等相关，早期诊断率低于40%；临床上依据肿瘤分期，制订治疗方案，预后较差，5年生存率低于16%[1-3]；深入剖析HCC的发病机制，开发新的特效药，是未来研究的方向。

线粒体是一种具有双层膜结构的细胞器，内膜上存在“嵴”，系电子传递链组件的锚定部位；伴随电子的传递，质子的移动，最终形成ATP，在此过程中，可产生一些活性氧自由基(ROS)副产物，具有细胞信号的功能。线粒体还含有相对自主的遗传物质，即线粒体DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)，在核基因的调控下，合成一些重要组分。线粒体亦参与胞质内钙稳态的调节、先天免疫信号的传导以及细胞凋亡的调控，可在相应调控下，发生融合、分裂等动态变化，这种动力学变化在线粒体生理学中具有重要作用[4-5]。研究[6-10]证实，HCC发生、发展过程中，线粒体结构与功能均发生不同程度的变化，且这些变化可以影响HCC进展，本文就此作一综述。

1 HCC细胞线粒体的变化

1.1 线粒体膜变化 正常情况下，线粒体外膜仅允许分子量<5000 Da的物质通过，而内膜对离子及小分子物质通透性较低。Bcl-2是一种线粒体外膜蛋白，通过与促凋亡蛋白(如Bax、Bak)相互作用，调节外膜通透性，进而控制凋亡相关物质，如细胞色素C、凋亡诱导因子等的释放，调控细胞凋亡[4,6]。HCC组织中，Bcl-2表达上调，Bax表达下调，使得线粒体外膜通透性下降，抑制了HCC细胞的凋亡[11]。Funk等[12]团队研究证实，在HCC发生过程中，促凋亡蛋白Bax及Bak的分布呈现动态变化，与Bak不同，Bax主要由线粒体逆向转运至细胞质中，使得Bax和Bak分别驻留于HCC细胞的胞质及线粒体中，而在癌旁组织中的分布未见明显差异；促凋亡蛋白的异位分布与低水平表达具有协同作用，大大降低了线粒体外膜的通透性，抑制了细胞的凋亡。

1.2 氧化呼吸链变化 HCC组织中，线粒体氧化呼吸链复合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的表达均减少[7,13]。线粒体微肽富集于肌肉组织，定位于线粒体，可调节正常的肌源性分化和肌肉发育。研究[14]表明，线粒体微肽在HCC组织中的表达量降低，可能通过促进呼吸链复合物Ⅰ的活性，使NAD+/NADH的比值升高，促进HCC进展。吡啶核苷二硫氧化还原酶结构域2(PYROXD2)位于线粒体内膜及基质中，可与氧化呼吸链复合物Ⅳ中的亚基结合，促进其活性；而PYROXD2在HCC组织中低表达，使得复合物Ⅳ的功能受到抑制[15]。泛醌Q10是线粒体电子传递链中的重要结构，其基因表达受到戊二磷酸合酶亚基2 (PDSS2)的调控；研究[16]发现，PDSS2在HCC组织中的表达下调，引起泛醌Q10的表达减少和复合物Ⅰ的活性减弱，促进肿瘤进展。

1.3 线粒体动力学变化 正常线粒体动力学主要包括：线粒体沿细胞骨架的运动、线粒体结构的调整、由栓系、融合或者分裂介导的连接等[8]。线粒体融合蛋白(mitofusin，MFN)1是主要的线粒体促融合蛋白；其在HCC组织中表达减少，导致线粒体融合发生率降低，分裂发生率升高，造成HCC组织中线粒体长度较癌旁组织中偏短[17]。MFN2是另一种重要的线粒体促融合蛋白，同MFN1，其在HCC组织中的表达量亦低于癌旁组织[18]。动力蛋白相关蛋白(dynamin-related protein，DRP)1是主要的促线粒体分裂蛋白，其在HCC组织中的表达量增高。由此可知，HCC组织中促线粒体融合蛋白呈现低表达，而促线粒体分裂蛋白呈现高表达，两者相互协同，使得线粒体分裂发生率明显增高，促进肿瘤进展[17]。

1.4 mtDNA变化 mtDNA是一个长度为16.6 kb的双链环状结构，所携带基因可编码22种转运RNA，2种核糖体RNA和13种多肽(包含呼吸链组分)[19]；研究[19-22]已证实，HCC组织中存在多种mtDNA的突变类型，主要包括：点突变、缺失突变、插入突变和拷贝数改变。对HCC组织中线粒体基因组进行检测，结果显示，约半数HCC样本中的mtDNA至少携带一种同质或异质点突变；其中，76%位于D-环区域(mtDNA的非编码调控区域)，2%位于核糖体RNA编码区域，3%位于转运RNA编码区域，19%位于信使RNA编码区域[19]。学者[20]对105例HCC组织及69例正常肝组织中mtDNA 4977 bp缺失信息进行检测，结果发现，仅10例HCC组织样本中存在此种缺失；且mtDNA 4977 bp缺失与HCC细胞ROS产生增多、mtDNA拷贝数增加相关。Hung等[21]研究发现，3.6%的HCC组织中存在mtDNA的插入突变，常见的插入序列为260 bp片段和520 bp片段，常以两次或三次重复序列插入mtDNA D-环区的两个多聚胞嘧啶片段之间，且这种突变的发生与多聚胞嘧啶片段的长度有关。除了以上mtDNA突变类型外，HCC组织中mtDNA的拷贝数亦减少[22]。

1.5 线粒体钙稳态变化 线粒体钙稳态是指线粒体通过调节机制，维持细胞内钙离子浓度的稳定，这一过程对调节有氧代谢及细胞存活至关重要，其调节机制主要包括两种：(1)钙离子的缓冲；(2)与其他通道或细胞器协同作用[23]。线粒体钙离子转运体(mitochondrial Ca2+uniporter，MCU)是钙稳态调控的关键因子，由核心亚基(钙离子吸收通道)、调节亚基(MICU1、MICU2、MCUb)、必需调节因子构成，并受线粒体钙单向转运体调节分子1(mitochondrial calcium uniporter regulator 1，MCUR1)的调节；研究[10,24]证实，MCU、MICU1、MICU2以及MCUR1在HCC组织中高表达，通过促进线粒体钙离子的摄入，激活下游信号通路，影响肿瘤进展。

2 线粒体结构及功能障碍对HCC的影响

PDSS2在细胞呼吸中扮演重要角色；细胞功能试验证实，沉默永生化肝细胞中的PDSS2，可下调泛醌Q10的表达，抑制复合物Ⅰ的活性，使糖代谢转向糖酵解途径，符合癌细胞能量代谢的特点，更具有成瘤性，反之亦然[16]。HCV为HCC的病因之一，HCV的核心蛋白可以作用于肝细胞的线粒体，产生过多的ROS，诱导细胞生长相关的基因发生突变，促进HCC的发生[25]。我国学者[26]对HCC组织中mtDNA D-环区单核苷酸多态性进行检测，结果发现，含有16266C/T、16293A/G、16299A/G等基因型的酒精性肝病个体易罹患HCC，含有523A/del基因型的HBV感染者更易发展为HCC；mtDNA中9 bp缺失多态性是中国人口发生HCC的一个危险因素[27]。Bcl-2基因多态性(rs2279115)与HCV相关HCC的易发性相关[28]。

线粒体动力学与HCC转移相关。高转移性HCC组织中线粒体分裂率明显升高，MFN1表达减少在其中扮演重要角色；线粒体分裂可通过促进HCC细胞的上皮-间充质转化(epithelial to mesenchymal transition，EMT)，激活糖酵解代谢途径，进而增加癌细胞的转移及侵袭能力，促进肿瘤进展；所以，MFN1可能作为HCC的潜在治疗靶点[17]。Huang等[29]研究证实，HCC组织中过多的线粒体分裂跟DRP1/MFN1比值升高有关；不管是过表达DRP1，还是沉默MFN1，都可促进细胞自噬，抑制线粒体凋亡途径；机制分析表明，线粒体分裂引起ROS产生增多，后者介导AKT的激活，并与TP53和NF-κB通路协同作用，促进肿瘤进展。氧化呼吸链中复合物Ⅳ亚基1在HCC组织中表达减少，且其低表达与HCC较低的生存率相关，可以作为HCC患者术后的预后因子[13]。HCC组织中，过表达的MCU可以通过促进线粒体钙离子的摄入，抑制NAD+/SIRT3/SOD2信号通路，促进ROS的产生，进而通过ROS/JNK信号通路促进基质金属蛋白酶2(matrix metalloproteinase-2，MMP-2)的合成，增加HCC细胞的转移性及侵袭性，促进肿瘤的进展[30]。同样，MCUR1亦可通过钙离子信号途径，激活ROS/Nrf2/Notch1信号通路，促进HCC细胞的EMT转化，促进肿瘤转移[10](图1)。Bcl-xL/Bcl-2相关死亡促进因子(Bcl-xL/Bcl-2-associated death promoter，Bad)是Bcl-2家族中的成员，为一种凋亡促进因子；Bad在HCC组织中的表达量降低，且其低表达与肿瘤分期晚、肿瘤直径大、血管侵犯、血清高水平AFP等相关，可作为HCC患者的预后因子[31]。Li等[32]对140例HCC组织中mtDNA D-环区进行检测，共发现150个点序列变异，包括13个点突变、8个插入突变、20个缺失突变，116个多态性分布；其中，第150位碱基为T以及16263位碱基为T的变异体与患者无瘤生存期较长相关；315位插入碱基C的变异体与无瘤生存期较短相关；所以，不同的mtDNA D-环区域变异体，对HCC进展的影响各不相同。

图1 HCC组织中线粒体变化及其对HCC进展的影响

3 线粒体靶向治疗

目前，尚无评估HCC线粒体靶向治疗的临床试验；然而，有证据表明调节线粒体功能是一种有潜力的治疗手段。索拉非尼是美国食品药品监督管理局批准的治疗晚期HCC的一线药物，是一种多激酶抑制剂；它可介导线粒体解偶联，抑制氧化呼吸链中复合物的活性，减少ATP的生成[33]，还可促进细胞ROS的产生，消耗细胞内谷胱甘肽，触发线粒体内钙超载，最终释放细胞色素C及caspase3/7，启动细胞凋亡程序[34]。Li等[35]研究证实，索拉非尼可抑制HCC细胞线粒体自噬，降低线粒体膜电位，诱导细胞发生铁死亡；补充谷胱甘肽可抑制ROS的产生，改善脂质过氧化，减少细胞铁死亡；半胱氨酸剥夺与索拉非尼具有协同作用，两者共同处理的细胞更易发生铁死亡，有望成为治疗晚期HCC的新方法。二甲双胍是氧化呼吸链复合物Ⅰ的抑制剂，可通过抑制M2型丙酮酸激酶及脂肪酸合酶的合成，延缓AKT/c-Met驱动的小鼠HCC的发生[36]。青蒿酯(ART)是一种经典的抗疟药物，在多种恶性肿瘤中发挥显著的抗瘤作用；因其生物利用度低，我国学者将其与环金属铱(Ⅲ)配合物相连，构建成Ir-ART-1-3复合物。研究[37]证实，Ir-ART-1-3可直接定位到HCC细胞线粒体膜上，破坏其功能，导致线粒体膜电位降低、ROS产生增多，诱导线粒体途径凋亡的发生，并可调节细胞周期，抑制HCC细胞的转移性；所以，Ir-ART-1-3有望成为未来HCC治疗的候选药物。电压依赖性阴离子通道1(voltage-dependent anion channel 1，VDAC1)位于线粒体外膜，介导线粒体与细胞内其他成分间的交流，在细胞一系列生理过程中(ATP分配、Ca2+稳态、细胞凋亡的执行等)扮演重要角色。R-Tf-D-LP4是靶向VDAC1的分子多肽，它可以破坏HCC细胞的能量及代谢稳态，诱导细胞凋亡，抑制肿瘤进展，是一种很有前景的HCC治疗方法[38]。

4 小结

线粒体是细胞内至关重要的细胞器，参与细胞能量代谢、物质代谢、钙稳态、细胞凋亡等一系列细胞生理过程的调节。HCC组织中线粒体膜、氧化呼吸链、线粒体动力学、mtDNA、线粒体钙稳态等均发生不同程度的变化，线粒体结构及功能障碍可促进HCC的进展，影响肿瘤的预后；虽然，目前尚无治疗HCC的线粒体靶向药物，然而，已有研究表明调节线粒体功能是一种有效的治疗手段；所以，线粒体功能障碍促进HCC进展的深层机制亟待进一步研究，为开发靶向药物，奠定坚实的理论基础。

利益冲突声明：所有作者均声明不存在利益冲突。

作者贡献声明：高小强负责资料分析，撰写论文；左石、贾晓东负责提出具体修改意见并进行修改；陆荫英负责拟定撰写思路，指导文章写作并最终定稿。