线粒体转录因子A在肿瘤发生发展中作用的研究进展

高 榴，禹 莉*

(1.蚌埠医学院临床医学院，安徽 蚌埠 233030，2.蚌埠医学院检验医学院，安徽 蚌埠 233030)

线粒体是一种广泛存在于各类真核细胞中的细胞器，存在于所有有核的人类细胞中，参与稳态调节、生物合成、活性氧自由基生成、氧化磷酸化以及细胞凋亡的发生等生物学过程[1]。据研究，线粒体的遗传物质，即线粒体DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)，具有复制、转录及蛋白质合成的功能，其表达调节对于发育和分化过程中的线粒体生物生成至关重要。但线粒体仅能编码部分蛋白质，主要的线粒体蛋白质均由细胞核基因编码[2]，线粒体转录因子A(mitochondrial transcriptionfactor A，TFAM)则是一种被证明可以调节体内mtDNA拷贝数的哺乳动物蛋白质，也是细胞核基因编码的线粒体蛋白质[3]。据报道，在多种人类肿瘤细胞中，包括前列腺癌[4]、肝癌[5]、结肠癌[6]等，mtDNA 与TFAM 表达水平均有改变，这表明TFAM基因表达水平与多种肿瘤的发生密切相关。基于当今世界肿瘤发生率和致死率逐年升高的现状，研究TFAM 在各类肿瘤中的变化，有利于寻找潜在的生物标志用于预测肿瘤的发生及预后，也有利于寻找治疗的潜在靶点，为肿瘤治疗提供有价值的指标。目前TFAM对肿瘤产生影响的具体机制仍不清楚，所以肿瘤细胞中TFAM的分子功能值得深入探讨。本文简要概述近年来TFAM 对肿瘤细胞作用的研究进展，以期为肿瘤防治以及进一步药物开发提供理论依据，为临床治疗提供新的理论视角。

1 TFAM的研究现状

1.1 TFAM的结构

TFAM是线粒体最重要的调控因子之一，它参与mtDNA复制、转录以及拷贝数的调节[7]。TFAM基因位于10 号染色体长臂21 区(10q21)，编码蛋白相对分子质量为25 000，是一种具有串联高移动组(high mobility group，HMG)和结构域的DNA结合蛋白，在线粒体基因组的表达、维持和组织中具有核心作用，包含4 个结构域，依次为氨基端的HMG 结构域(HMG-box A)、链接区、HMG结构域(HMG-box B)和羧基端尾区[8]。

1.2 TFAM的生物学功能

1.2.1 TFAM 对mtDNA 复制和转录的影响线粒体生物生成的过程中，受到线粒体基因和核基因的共同编码。TFAM 可以与mtDNA 结合，对mtDNA 的复制和转录进行调控。在转录起始时，TFAM 可以与人类线粒体基因组置换环(displacement loop，D-loop)区中的3个启动子结合并弯曲DNA 的构象，由于构象的改变以及TFAM的羧基末端螺旋结构可以与线粒体RNA聚合酶(mitochondrial RNA polymerase，POLRMT)氨基延伸端的螺旋区域相互作用，因此TFAM可以将聚合酶招募并稳定在转录起始复合物中，从而促进mtDNA 的转录，影响mtDNA 转录起始和蛋白表达[9]。并且，TFAM 与mtDNA 模板的比例数目与转录活性的升高并不是完全呈线性关系。虽然mtDNA复制的基本机制中不涉及到TFAM，TFAM 还是会对mtDNA 的复制具有调控作用。

1.2.2 TFAM 对线粒体DNA 拷贝数的影响细胞内mtDNA 拷贝数的调控是复杂而精确的，但其调控的确切机制尚不清楚。Clay Montier 等[10]提出了上下阈值理论，即当mtDNA 拷贝数小于下阈值时，mtDNA 复制启动，当mtDNA 拷贝数高于上阈值时，mtDNA 降解开始。TFAM 是mtDNA 拷贝数的重要调控因子。过度表达TFAM的小鼠在心脏、肾脏和骨骼肌中有较高的mtDNA 拷贝数[11]，而TFAM 表达的抑制会降低mtDNA 拷贝数。因此，TFAM可能参与了mtDNA拷贝数的调节。

1.2.3 TFAM 对线粒体功能的影响在人类细胞中，线粒体DNA环包含约16.6 kb的碱基以及37个基因，其中22个基因编码转运RNA，2个编码核糖体RNA和13个负责组成氧化呼吸链复合体的蛋白质[12]。线粒体的主要功能之一是氧化磷酸化，这是产生活性氧(reactive oxygen species，ROS)的主要来源，一定范围内的ROS对于细胞的正常增殖与分化十分必要，但过多则会造成损伤。由于mtDNA 的特殊性，使得它很容易受到ROS的攻击，并且因mtDNA 的损伤修复机制与核DNA 不同，使得mtDNA的损伤更易保留，难以修复，长久的累积最终会产生氧化应激。据报道，过度表达TFAM会增加mtDNA拷贝数，抑制线粒体ROS 及其上调，促进与线粒体氧化应激有关的心脏保护[11]；在TFAM 的小鼠基因敲除模型中，细胞的氧化磷酸化受到损害，mtDNA的拷贝数降低，mtDNA氧化损伤的修复时间增加，小鼠的胚胎致死率明显增加；对黑腹果蝇的研究也表明，TFAM 可以消除氧化应激并抑制线粒体的过度损伤；此外，研究表明ROS 的水平在抑制TFAM 表达的肿瘤细胞中明显增加，一同上升的还有肿瘤细胞对化疗药物的敏感性以及细胞凋亡率[13]。在人体衰老过程中，mtDNA的突变积累诱发了呼吸链的功能障碍，导致了ROS产生的增强。因此，年龄依赖性的记忆损伤可能是由呼吸链产生的氧化压力造成的。TFAM 转基因(TFAM transgenic，TG)小鼠在与年龄相关的脂质过氧化产物积累方面有明显改善，大脑中的复合物I 和IV 活性也有所降低，老龄化的TG 小鼠在运动记忆、工作记忆和海马体长期记忆(long-term potentiation，LTP)方面的缺陷也得到明显改善，推断TFAM的过度表达可能通过防止小胶质细胞的氧化应激和线粒体功能障碍来改善与年龄相关的大脑功能退化[14]。TFAM 中含有HMG 结构域可以和DNA 中的磷酸骨架结合，增加线粒体DNA 的稳定性和完整性，从而保护mtDNA 不被ROS 降解，不难得出，TFAM 在维持线粒体功能，尤其是对氧化应激的清除以及降低相关疾病的发生方面具有重要意义。

2 TFAM与肿瘤

据国际癌症研究机构(International Agency for Research on Cancer，IARC)公布：2020 年全球新增1 930 万癌症患者，1 000万人因癌症去世。目前，全球每5个人中就有1人会在一生之中罹患癌症，每8名男性和每11名女性之中，就有一人会因癌症去世。癌症防控是世界性难题，近年来，我国癌症总体发病率和死亡率呈现逐年上升趋势，癌症已成为严重威胁我国居民健康的重大公共卫生问题。但美国癌症研究协会(American Association for Cancer Research，AACR)关于整个癌症治疗领域的进展统计显示，在过去一年中，横跨癌症治疗的五大支柱——手术、放疗、化疗、分子靶向治疗和免疫治疗都取得了重大进展，正在挽救更多的癌症患者并改善治疗效果。由于肿瘤的发病原因复杂多样，我们对于肿瘤的了解还不够全面、深入。因此，关于肿瘤治疗的研究仍需继续，肿瘤问题依旧需要高度关注。

据研究，线粒体生物生成在肿瘤发生中起着重要作用[15]。线粒体生物发生由一组高度关联成网的转录因子和调控因子所控制。

2.1 TFAM对肿瘤细胞生长增殖凋亡的影响

TFAM 在多种人类恶性肿瘤中高表达，与肿瘤的生长、侵袭和转移密切相关。与癌旁组织相比，TFAM 在部分癌组织中表达显著减少，改变线粒体DNA的拷贝数，并且其表达水平的高低与肿瘤患者预后也密切相关。随着研究的深入，TFAM 如何对肿瘤产生影响的部分分子机制得到验证。胃癌是常见的肿瘤之一，与生活结构、饮食方式密切相关，近年来有逐渐年轻化的趋势。Lee 等[16]研究发现TFAM-mtDNA-calcium-CFAP65-PCK1 轴参与线粒体逆行信号传导，影响肿瘤细胞分化和增殖。除此之外，有研究通过qRT-PCR、免疫组织化学法、Western blotting、荧光素酶活性分析实验，以及进一步的细胞功能实验，验证miR-RNA 通过靶向TFAM 对皮肤鳞状细胞癌[17]、乳腺癌[18]等肿瘤细胞的增殖及凋亡产生影响。并且，近些年探索肿瘤逃避NK 细胞杀伤的机制成为肿瘤免疫治疗领域的研究热点。Fan等[19]通过研究证明，TFAM表达下调诱导线粒体DNA 应激促进HLA-G 表达来抑制NK 细胞的活化以及杀伤。Yang等[20]利用TFAMflox/flox与villin-cre+/+的C57BL6/J小鼠杂交得到TFAM 肠道特异敲除小鼠(TFAMcko)，运用氧化偶氮甲烷和葡聚糖硫酸钠联合诱导的炎症相关结直肠癌小鼠模型；采用慢病毒转染的方式构建干涉和过表达人正常结肠上皮细胞NCM460中TFAM，并通过细胞周期和EdU 实验检测细胞增殖；利用共聚焦显微镜观察NCM460细胞干涉TFAM 后mtDNA 应激形态；采用qPCR 和ELISA 等方式检测结肠组织中炎性因子的表达情况，结果显示炎性肠癌患者肠癌组织中的TFAM表达较正常对照结肠组织显著下降，TFAM缺失介导的线粒体DNA作用于炎性小体活化caspase-1 促进炎性因子IL-1β、IL-18 表达，这为炎症相关结直肠癌的发生及潜在生物学机制提供了依据。

2.2 TFAM对肿瘤细胞辐射敏感性的影响

近年来，由于放射治疗在癌症治疗中的广泛使用，辐射生物学领域的研究变得越来越重要。但临床资料显示，放疗有一定发生失败的概率以及有复发的可能性。并且，许多肿瘤细胞对射线的敏感性不高，存在着辐射剂量高、对正常组织副作用大以及肿瘤细胞放射抵抗等问题亟待解决。这提示我们要注意提高放疗的靶向性、精确性。如今，放疗与化疗、基因治疗以及免疫治疗联合的治疗手段逐渐成为当今肿瘤治疗研究的热点。探究肿瘤细胞的辐射增敏机制，对于提高肿瘤治疗效果有着指导性的意义[21]。

先前的研究证实，降低TFAM 表达可使肿瘤细胞对化疗试剂和电离照射增敏。然而，潜在的机制在很大程度上仍然未知。Jiang等[22]发现TFAM表达的降低通过诱导G1/S期阻滞和降低E2F1、phospo-Rb、PCNA 和TK1 的表达来损害肿瘤细胞的增殖。此外，他们证明了敲除TFAM 可以增强p53 与MDM2 之间的相互作用，导致p53和下游靶点TIGAR的表达降低，从而导致线粒体超氧化物和DNA 双链断裂(double strand breaks，DSB)水平升高，而电离辐射处理细胞会加剧这两种情况。这些结果表明，TFAM 的抑制可以通过影响线粒体衍生ROS 的产生来加剧辐射诱导的DSB水平。目前已提出了一种新的机制，即TFAM 通过p53/TIGAR 信号通路调节肿瘤细胞对电离辐射的敏感性。这表明TFAM可能是增加癌细胞对放疗敏化的潜在靶点。

不止如此，Tang 等[23]证实了环氧合酶-2(cyclooxygenase-2，COX-2)在辐照肿瘤细胞中增强TFAM表达的作用。实验结果显示，TFAM与COX-2在辐照肿瘤细胞中同时上调，COX-2衍生的前列腺素E2(prostaglandin E2，PGE2)增强了p38-MAPK 的激活，这进一步刺激了线粒体动力相关蛋白(dynamin-related protein 1，drp1)介导的TFAM的上调。并且，得出NS-398抑制COX-2可阻断辐射诱导的TFAM表达，PGE2治疗可刺激TFAM表达的结论。

2.3 TFAM对肿瘤细胞耐药的调节作用

耐药现象严重影响了肿瘤有效治愈率，如何提高药物耐受性也是肿瘤界的新兴研究热点。越来越多的证据显示，微核糖核酸(miRNAs)可能通过靶向TFAM 来增加敏感性。紫杉醇是一线化疗药物，具有耐药现象。Yao 等[24]发现在乳腺癌细胞MCF-7 中，分别上调和下调miR-200a 的表达后联合紫杉醇处理，利用MTT和BrdU检测细胞生长的情况；同时，转染TFAM过表达质粒后，单独或联合紫杉醇处理，检测细胞增殖活力和DNA 合成能力变化。结果表明紫杉醇可通过miR-200a/TFAM通路调整其化疗敏感性。

陈曦等[25]探讨了miR-186-5p 在乳腺癌细胞5-Fu 化疗敏感性中的作用，通过制备针对5-Fu 产生抗性的耐药株(MCF-7/5-Fu)，对乳腺癌细胞MCF-7转染miR-186-5p抑制剂，并对乳腺癌耐药株MCF-7/5-Fu转染miR-186-5p模拟物，经过荧光素酶报告实验、qRT-PCR 和Western blot 等以及进一步的功能实验，结果发现，上调乳腺癌耐药细胞中miR-186-5p 的表达可有效逆转细胞耐药性。并且，结果显示，miR-186-5p 与TFAM mRNA 3'-UTR区存在互补结合的序列，且miR-186-5p负调控TFAM的表达，由此推测，miR-186-5p可能通过靶向作用TFAM在乳腺癌细胞耐药性中发挥调节作用。

此外，顺铂(cisplatin，DDP)是一种广泛应用的化疗药物，Fan等[26]发现，TFAM可能是miR-199a的靶基因。敲除TFAM可以部分逆转由miR-199a-3p 抑制诱导的MDA-MB-231 细胞的DDP 耐药性，而TFAM 过表达可以部分恢复miR-199a-3p 诱导的MDA-MB-231/DDP 细胞对DDP 的化疗敏感性。这些结果表明，miR-199a-3p 能够通过抑制TFAM 的表达减弱乳腺癌细胞的顺铂抗性。

综上所述，TFAM 可以作为肿瘤增敏中一个有前途的治疗关键点。但TFAM在肿瘤治疗中发挥作用的分子机制仍需进一步探索。

2.4 TFAM在肿瘤中的临床意义和预后价值

20世纪以来，癌症、心脑血管疾病等预后严重的疾病成为威胁人类健康的顽凶，促进了对预后多角度、多层面研究的普遍开展。预后研究有助于医患双方了解疾病的发展趋势，并作出知情的临床决策。

Gao 等[27]通过收集患者的乳腺癌组织和邻近的正常组织，并对Nrf1 和TFAM 蛋白的表达进行了免疫组织化学阵列分析，研究结果表明，Nrf1 和TFAM 蛋白在不同类型的乳腺癌患者的癌细胞中表达增加，与阴性表达患者相比，Nrf1 和TFAM 阳性表达患者的临床预后更差，生存时间更短。这些结果表明，Nrf1 和TFAM 是确定个体化治疗和乳腺癌预后的潜在生物标志物。不仅如此，在食管鳞状细胞癌[28]、肝癌[29]等癌症中TFAM在癌细胞中表达增加也得到验证。然而，并不是所有癌症中均存在此现象。Katsuki 等[6]采用了类似的方法，收集了左侧或右侧结直肠癌(colorectal cancer，CRC)患者的癌组织，进行免疫组织化学染色，探讨TFAM 表达与临床病理因素及预后的关系。结果显示，TFAM 表达与左侧结直肠癌患者的淋巴结转移、远处转移、TNM分期及淋巴浸润均有显著相关性，而与右侧结直肠癌患者的任何因素均无明显相关性。上述结果提示TFAM是左侧CRC患者肿瘤进展和预后不良的有效标志物，但在右侧CRC患者中不是。

这些结果表明，TFAM 的表达可能是确定个体化治疗和肿瘤预后的有用参数，可以作为开发靶向治疗的新目标，不过，肿瘤界需要进行更多的机制研究，以期进一步了解该基因的表达方式及其与细胞功能的关系。

3 展 望

恶性肿瘤发病率逐年上升，病因尚不清楚。TFAM 在多种人类恶性肿瘤中高表达，与肿瘤的生长、侵袭和转移密切相关，作为肿瘤分子治疗靶点和生物标志物是个较好的选择。目前，关于TFAM如何在肿瘤中发挥作用，已经有部分猜想得到验证，但仍旧缺乏更多的数据。本文为临床研究肿瘤的发病机制，寻找诊断及判断预后的标记物，以及探索新的精准治疗靶点提供了参考依据。