最新有关线粒体的科学研究

可以非常肯定地确定，影响人体健康的控制系统，与细胞内的线粒体密切相关，这一点，已经不再是一种假设，近期的科学研究，都从不同的侧面，正是人体细胞内的居住者“线粒体”，很可能，是人体真正的思考着！

谁在思考？谁决定我们的生长、性、发育、疾病、衰老？你难以想象，都很线粒体有关。正是因为线粒体的能量代谢支持，人体才能够有那么多的生理活动与功能，而为了保持这个系统的运作，线粒体，有自己的一套。

人类体细胞中除了红细胞，其他所有细胞均含有线粒体，它们是真核细胞内的重要细胞器。在线粒体内主要进行生物氧化和能量转换等功能，因而细胞产生能量的95%来自线粒体中进行的氧化磷酸化过程。另外，线粒体还支持和参与了许多重要的细胞功能，如：介导代谢，保持离子稳态，脂质、核酸和氨基酸的合成及细胞增殖和启动细胞凋亡等。线粒体有自己的一套遗传体系，即线粒体DNA,它是细胞内唯一的核外遗传物质, 能自主地进行复制、转录和翻译，具有非常活跃的自我复制能力。在1981年，Anderson等测定了人类线粒体DNA的核苷酸序列。从此以后，人们对线粒体DNA的研究越来越深入，越来越广泛，研究认为人类神经退行性变、糖尿病、衰老、肿瘤等疾病的生物学特征不仅取决于核内遗传物质，而且与核外的线粒体DNA关系密切，尤其在肿瘤方面较为明显。因此，线粒体DNA已成为当今学者们研究的热点。本文就人类线粒体DNA突变与肿瘤发生的关系作一综述。

1.  人类线粒体DNA的分子结构

每个细胞中有几百，甚至几千个线粒体，每个线粒体中又有2至10个拷贝的线粒体DNA。人类线粒体DNA的全长仅为16569bp，为双链闭合环状结构，上面排列着共37个基因：2个核糖体RNA基因、22种不同的转运RNA基因和13个蛋白质（组成呼吸链与ATP酶复合体的成分）编码序列。外环为重链(H)，含较多鸟嘌呤，是12S和16S核糖体RNA基因、14种转运RNA基因及12种蛋白多肽基因的模板。内环为轻链(L)，含较多胞嘧啶，是另外8种转运RNA基因和1种蛋白多肽基因的模板。

人类线粒体DNA的复制过程始于其H链的特殊区域，此区域形成一个长576bp的环，称为D-环链区；L链的相应D-环链区(544bp)的合成在此之后。线粒体DNA两条链转录的启动子也位于D-环链区，因此线粒体DNA的D-环链区称为控制区。

线粒体DNA的基因结构显示了极度的经济性，几乎全部是外显子，而没有内含子，除D-环链区外，相邻的基因之间几乎无任何非编码碱基，1个基因的最后1个碱基与相邻的基因的第1个碱基邻接，甚至出现基因重叠现象。

2.  线粒体DNA易发生突变的结构基础

线粒体DNA的突变率明显高于核DNA，其原因是：①线粒体DNA存在于线粒体基质内或依附于线粒体内膜，并因此与电子传递系统相接近，电子传递系统持续产生活性氧，而线粒体本身不能合成谷胱甘肽以清除过氧化物，易受氧化损伤；②线粒体DNA是裸露的，无组蛋白和染色质结构的保护，所处环境特殊；③线粒体DNA损伤修复能力差；④线粒体DNA分子量小，无内含子，在整个细胞周期中处于不断合成的状态，易受外界因素的干扰，稳定性差；⑤负责线粒体DNA复制的DNA聚合酶γ校对能力差，而转运RNA基因部位易形成发夹样结构，从而使其复制错误频率明显高于核DNA；⑥线粒体脂肪/DNA的比值很高，使具有嗜脂性的致癌物优先在线粒体DNA上聚集，导致线粒体DNA与化学致癌物的结合比核DNA更充分。因此，线粒体DNA易受各类诱变因素作用而发生损伤和异常，其突变率比核DNA高10-20倍。

2.1.    ROS氧化损伤

影响线粒体DNA突变的环境因素中，研究较多的是活性氧（ROS）。线粒体DNA位于线粒体基质内，并靠近内膜电子传递链，直接暴露于线粒体内高氧环境，线粒体在呼吸链代谢中产生超氧粒子，在电子转运过程中生成的大量ROS以及过氧化物，当ROS产生过多或抗氧化防御系统作用减弱时，线粒体内氧自由基容易出现累积，可诱发线粒体DNA点突变，点突变可提高DNA双链的分离机会，促使线粒体DNA进一步发生核酸大片断丢失、断裂、碱基修饰和插入等不同形式的变异。

2.2.    与致癌物结合

线粒体内脂肪/ DNA的比值较高，使线粒体DNA对脂溶性化学物质非常敏感，并往往成为亲电子物质首选的靶点，具有嗜脂性的致癌物往往优先在线粒体DNA上聚集，而且这些结合不易消除，可在线粒体内持续存在24h以上。线粒体DNA与致癌剂共价结合的反应产物是7-甲基鸟嘌呤，常导致线粒体DNA链断裂。

3.  肿瘤组织中线粒体DNA的改变

3.1.     线粒体DNA结构的改变

肿瘤组织中线粒体DNA结构的变化包括编码区与非编码区（即控制区）的改变。编码区的突变会造成框移突变以及氨基酸的替换。Carew等研究得到，所有肿瘤的线粒体DNA突变有四个特点：①大部分突变为碱基的替换，也有碱基的缺失和插入；②在蛋白质编码区都有突变发生；③D-环链区是突变频率最高的位点；④线粒体DNA同质性突变在肿瘤发生中有重要的作用。另外，线粒体DNA遗传具有异质性，当发生突变时，细胞内同时存在野生型和突变型两种线粒体DNA。Liu等对10例原发性卵巢癌标本进行了线粒体DNA全长测序，在5个标本的12SrRNA编码区、16SrRNA编码区以及D-环链区分别检测到同质性突变，而在另1个标本的cytb编码区检测到异质性突变，推测突变型线粒体DNA可能具有选择性生长优势，在细胞连续分裂过程中逐渐取代了野生型线粒体DNA，形成同质性突变并导致细胞恶性转化。

已报道的肿瘤线粒体DNA突变大部分为T/C或G/A的碱基替换，这种碱基替换已证实为氧自由基的氧化损伤所导致，说明D-环链区与编码区的突变都是由高浓度的ROS引起的。可能线粒体DNA突变导致ROS产生增加，而ROS的增加又加剧了线粒体DNA突变，进一步增加ROS产生，从而造成线粒体内持续的氧化应激环境，促使癌症的发生。Meister发现，抗氧化剂可减少机体突变相关事件如细胞恶性变的发生，表明自由基引发线粒体及其DNA损伤可能与肿瘤发生密切相关。

3.2.     线粒体DNA拷贝数的改变

离体线粒体DNA制备半定量结果显示，不同组织来源的线粒体中DNA含量接近，平均1mg线粒体蛋含0.21μg～0.51μg线粒体DNA。D-环链区是线粒体DNA的高突变区，这是因为线粒体DNA借D-环链区连接于线粒体内膜，使D-环链区与脂质过氧化物非常接近，而重链合成时形成的三链结构使D-链环区成为单链形式，从而使D-环链区更易受到氧化损伤，因而较其它区域更易发生突变。由于线粒体DNA的D-环链区含有复制的起始位点和转录的启动子，然而在肿瘤细胞中，线粒体DNA的D-环链区的突变可能会影响线粒体DNA的复制速度，从而改变其拷贝数，很多研究证实了这一变化。

在某些肿瘤细胞中，线粒体DNA拷贝数增多，其原因可能是线粒体DNA的突变导致线粒体功能缺陷，线粒体DNA只有过度复制产生惊人的拷贝数才能补偿此缺陷。Luciakova等的研究表明，肿瘤细胞对能量需求增多，而线粒体DNA的拷贝数量增加可能是一种以满足肿瘤细胞生长需要的适应性反应。

此外，也存在肿瘤细胞中线粒体DNA拷贝数减少的现象。实验中发现，这一现象经常与氧化磷酸化蛋白的减少相关，而且在多种肿瘤中，线粒体DNA拷贝数的减少还与临床病理参数和肿瘤的侵袭性有关。例如，与正常的肝脏组织相比，肝癌细胞中的线粒体DNA的拷贝数明显减少，并且结果显示其与肿瘤的大小和肝硬变有关。由此证明，肝癌细胞中线粒体DNA拷贝数量的减少与肿瘤和肿瘤的恶化程度相关。在人肺癌A549细胞中，由于线粒体DNA拷贝数的减少而诱导的线粒体压力引起了细胞表型的改变，并影响了肿瘤的增长和肿瘤的侵袭性。这些发现充分的证明线粒体DNA拷贝数的减少与氧化磷酸化复合物的减少密切相关，从而使很多肿瘤细胞出现了异常的生物能量学现象。当糖酵解和氧化磷酸化的平衡打破以后，丙酮酸、草酰乙酸、琥珀酸和延胡索酸这四种线粒体代谢物在胞质中累积，进而调节缺氧诱导因子（HIF）的活性，导致肿瘤的发生。

3.3.    线粒体微卫星不稳定

人类基因组中微卫星DNA不仅位于核基因组，也存在于线粒体DNA中，约占基因组的10％。与核基因组相同，线粒体基因组也存在不稳定，其形式以D-环链区的(CA)n和polyC不稳定最常见。线粒体基因组不稳定的原因可能是活性氧的破坏、滑链错配和不平衡交换。D310区是位于D-环链区303-315np的polyC序列，是实体瘤的突变热点，其突变形式多为单碱基插入或缺失。负责线粒体DNA复制的DNA聚合酶γ在4个核苷酸以上的多聚核苷酸区的复制忠实性低可能是D310区具有高突变率的主要原因。D310区的长度变化可能通过影响线粒体DNA复制或使肿瘤细胞获得选择性生长优势而促进肿瘤的发生。

表二：人类肿瘤中线粒体DNA的D-环链区突变

3.4.     线粒体DNA片段缺失

线粒体DNA片段缺失存在于多种肿瘤组织中，缺失长度从几十个碱基到上千个碱基不等，如：原发性胃癌中既存在线粒体DNA4977bp大片段的缺失，也有D-环链区50bp片段的缺失。线粒体DNA缺失随着细胞分裂而进入子代细胞以及在细胞中的累积将会严重损伤线粒体功能，进而促使癌症的发生。

3.5.     转录及表达水平的变化

不同的肿瘤组织中出现转录水平改变的线粒体编码区基因并不完全相同。Wang等提出线粒体DNA的转录水平增高可以造成细胞凋亡降低，可能与其致癌有关。

细胞凋亡程序紊乱是肿瘤发生发展的重要因素之一，而线粒体在细胞凋亡中的作用日益受到关注。首先，线粒体膜受损伤时，可以释放位于内外膜之间的细胞色素C并与Apat-1(凋亡促进因子)结合，引起Apat-1寡聚，进一步激活capase-9并与之形成复合体，这种复合体可以活化caspase-3、caspase-6以及caspase-7等成员，使细胞进入凋亡通路。其次定位于线粒体膜间腔中的凋亡诱导因子(AIF)在细胞发生凋亡时，可以转移到胞浆中，继而转入细胞核中，促使染色质凝集及核酸分子降解，加速细胞凋亡的进行。AIF还能够促进线粒体释放细胞色素C和caspase-9，启动细胞凋亡程序。目前还发现线粒体膜损伤可以介导线粒体内Ca2+外流入胞质，胞质内Ca2+增加可以启动多种细胞凋亡相关途径。还有人认为线粒体DNA中含有诱导和控制细胞凋亡的基因参与凋亡的调控。总之，线粒体DNA缺失或突变都有可能影响线粒体在肿瘤细胞凋亡过程中的调节作用，进而影响肿瘤的发生发展。

4.   线粒体DNA突变诱发肿瘤发生的可能机制

4.1.     线粒体DNA与核DNA的整合

在一般情况下，线粒体中的DNA伴随线粒体的衰老或损伤而被胞质中溶酶体内的DNA水解酶彻底降解。但当细胞内外环境发生改变时，如有害因素增加时，则出现如下变化：①可使线粒体DNA错配片段产生和降解增加。②大量线粒体在短期内的肿胀、崩解、裂解等造成游离的线粒体DNA或其片段过多。③线粒体DNA降解失调。④线粒体DNA突变或缺失。⑤线粒体RNA在胞质中逆转录成线粒体DNA，致使线粒体DNA或其片段有机会游离并可能会具有类似致癌病毒样作用，穿过细胞核膜孔，随机整合到核基因组中。

线粒体DNA在核内整合可能会产生如下后果：①整合片段或整合位点不影响核基因组的正常功能，对宿主细胞生物学特性无明显影响；②激活了“健康基因”，使机体抗病能力增强，推动生物进化；③激活了原癌基因或抑制了抗癌基因，使细胞增殖分化失控，导致癌变；④如激活了凋亡基因或抑制了抗凋亡基因，则细胞迅速凋亡。

如果激活了原癌基因或抑制了抗癌基因，则诱导癌变。此外，核内线粒体DNA整合序列的扩增无疑会增加线粒体DNA整合和转录、表达的机会。理论上，整合和转录的序列促进细胞转化。核DNA大约含有1000个线粒体起源的序列，这些序列在现代人类起源之前就已整合核DNA，并与线粒体DNA有很大的相似性。越来越多的研究表明，线粒体DNA可以稳定地整合到核基因组中。Liang等在神经胶质瘤细胞的核DNA中发现了线粒体DNA的整合。Shay等在Hela TG细胞研究中发现了线粒体DNA的CoⅢ基因在核基因组中的整合，并发现整合位于c-myc基因组内。整合结果，使细胞产生了融合的mRNA．这条mRNA含有来自c-myc及CoⅢ的遗传信息。在对Hela细胞核基因组的进一步研究中，Shay等还发现了一段线粒体DNA的整合，这一段线粒体DNA源于线粒体DNA上3段不相连的基因(12SrRNA，CoI及ND4L/ND4)中一部分DNA相互连接而成。此外，核内的线粒体DNA和线粒体内线粒体DNA一样．每个细胞循环要合成多次，且不受DNA聚合酶抑制剂的抑制。

肿瘤的发生发展过程中线粒体DNA与核基因组之间通过信号转导共同发挥作用。Singh等研究发现线粒体DNA突变或其它原因引起活性氧异常改变都可影响ATP的生成，进一步研究发现，ATP生成改变可诱导细胞核所控制的细胞周期改变，如ATP生成减少可诱导细胞在G1期和G2期的积累。细胞分裂周期的紊乱是肿瘤发生发展的重要因素之一，他们认为线粒体DNA损伤后可通过ATP的生成增加或减少影响核基因对细胞周期的调控参与肿瘤的发生发展。Gpvomdasamy Amuthan等在研究过程中发现，线粒体DNA缺陷可引起线粒体膜电位的降低，进而导致细胞质中Ca2+大幅度增加，以及核基因编码的cathepsin L、TGFβ以及MMA等肿瘤相关因子的超表达，cathepsin L和TGFβ是人类浸润性肿瘤的重要标志物，并且与肿瘤细胞的表型改变以及肿瘤细胞的浸润能力密切相关。他们认为线粒体DAN损伤或变异后，与核基因之间产生应激性信号交流并可能引起一些涉及细胞结构、能量代谢、细胞生长分化以及细胞凋亡的核基因异常表达，刺激肿瘤的形成与发展。

线粒体与核基因相互作用的另一方面表现在线粒体DNA和核DNA相互作用双重调控细胞凋亡，线粒体蛋白可释放进入细胞核内，调节凋亡相关基因的表达，产生凋亡效应。而凋亡规律失常是肿瘤发生发展的一个重要因素。线粒体在细胞能量代谢、ROS生成、老化及凋亡过程中发挥的重要作用意味着其可能作为细胞凋亡和细胞异常生长的转折点而促使肿瘤的发生，也就是说，破坏由线粒体诱导的凋亡过程可能有助于肿瘤的形成。

4.2.     线粒体DNA突变导致细胞氧化应激和细胞凋亡抑制从而诱导肿瘤发生

物理、化学、生物等外源性致癌物和氧自由基等内源性损伤因子引起的线粒体DNA突变，无论是发生在D-环链还是编码区，都将间接或直接影响线粒体电子传递链的氧化磷酸化系统，最终导致持续的细胞氧化应激而促进肿瘤发生和发展。肿瘤细胞中线粒体DNA发生突变与肿瘤细胞内高水平的ROS是一致的，各种原因引起线粒体DNA突变导致呼吸链代谢障碍，削弱正常呼吸功能，释放高水平ROS，ROS又可导致新的突变发生，形成恶性循环。ROS可以对细胞成分包括核基因组造成损伤，可以促进核DNA突变和细胞分裂，使细胞获得选择性增生的优势。在一些线粒体基因组中，突变线粒体DNA逐渐积聚，引起氧化磷酸化功能缺失，尤其在能量需求较高的脑和骨骼等组织，可出现与代谢相关的遗传病和衰老,包括引发早期癌症。肿瘤发生机制之一是细胞凋亡受阻而永生化，而线粒体在细胞凋亡调控中起重要作用。线粒体DNA突变导致线粒体功能异常，释放的激活凋亡诱导因子Caspase3家族的蛋白酶和细胞色素C减少，细胞凋亡受到抑制，而高ROS还引起Bcl-2和Bcl-XL的过度表达并增强其抗凋亡作用，相反促凋亡蛋白Bid和Bax表达下降，从而诱导肿瘤发生。

4.3.     线粒体DNA突变的非随机分离引起恶性转化

各种损伤因子首先导致少量异质性线粒体DNA突变，异质性细胞在连续分裂的过程中会出现突变型和野生型的比例改变，如果突变使得细胞获得生长或是线粒体DNA复制的优势，例如：线粒体DNA突变导致线粒体功能缺陷，只有过多复制使之从数量上增加才能获得补偿，致使异质性线粒体DNA突变具有选择性的生存优势，逐渐取代野生型线粒体DNA并最终转变为同质性，异质性线粒体DNA突变积累到一定程度则导致细胞向恶性转化及肿瘤发生。

5.  展望

尽管线粒体DNA的发现已有多年，但它在人类病理学方面的重要性最近才受到重视。线粒体DNA突变与肿瘤发生的相关机制还没有研究清楚，其与肿瘤发生的相关性也已得到肯定。在临床应用方面，线粒体DNA与抗肿瘤药物之间的作用机制仍将是今后研究的热点，这将为肿瘤的诊断及药物治疗提供新的途径，具有重要的现实意义。

由于线粒体的本质，乃是细菌！而且，线粒体可以穿越细胞屏障，在各细胞之间传递、转移，因而，线粒体很可能可以控制整个生理活动，包括生老病死。