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线粒体与癌症

发布时间:2021-01-11 09:10:23 | 来源:【药物研发团队 2021-1-11】
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线粒体是一种存在于大多数细胞中的由两层膜包被的细胞器,是细胞中制造能量的结构,是细胞进行有氧呼吸的主要场所,被称为人体发电厂。线粒体的直径在0.5到1.0微米左右。除了溶组织内阿米巴、篮氏贾第鞭毛虫以及几种微孢子虫外,大多数真核细胞或多或少都拥有线粒体,但它们各自拥有的线粒体在大小、数量及外观等方面上都有所不同。

线粒体是细胞内的能量工厂,除了红血细胞外,其存在于人体内的每一个细胞中,线粒体的主要功能是提供细胞所需要的能量,即ATP。

线粒体拥有自身的遗传物质和遗传体系,但其基因组大小有限,是一种半自主细胞器。除了为细胞供能外,线粒体还参与诸如细胞分化、细胞信息传递和细胞凋亡等过程,并拥有调控细胞生长和细胞周期的能力,与癌症的发生、发展密切相关。

一、线粒体形态特征

大小

线粒体是一些大小不一的球状、棒状或细丝状颗粒,一般为0.5~1.0μm,长1~2μm,在光学显微镜下,需用特殊的染色才能加以辨别。在动物细胞中,线粒体大小受细胞代谢水平限制。不同组织在不同条件下可能产生体积异常膨大的线粒体,称为“巨线粒体”:胰脏外分泌细胞中可长达10~20μm;神经元胞体中的线粒体尺寸差异很大,有的也可能长达10μm;人类成纤维细胞的线粒体则更长,可达40μm。

形状

线粒体一般呈短棒状或圆球状,但因生物种类和生理状态而异,还可呈环状、线状、哑铃状、分杈状、扁盘状或其它形状。成型蛋白介导线粒体以不同方式与周围的细胞骨架接触或在线粒体的两层膜间形成不同的连接可能是线粒体在不同细胞中呈现出不同形态的原因。

数量

不同生物的不同组织中线粒体数量的差异是巨大的。有许多细胞拥有多达数千个的线粒体(如肝脏细胞中有1000~2000个线粒体),而一些细胞则只有一个线粒体(如酵母菌细胞的大型分支线粒体)。大多数哺乳动物的成熟红细胞不具有线粒体。一般来说,细胞中线粒体数量取决于该细胞的代谢水平,代谢活动越旺盛的细胞线粒体越多。

分布

线粒体分布方向与微管一致,通常分布在细胞功能旺盛的区域:如在肾脏细胞中靠近微血管,呈平行或栅状排列;在肠表皮细胞中呈两极分布,集中在顶端和基部;在精子中分布在鞭毛中区。在卵母细胞体外培养中,随着细胞逐渐成熟,线粒体会由在细胞周边分布发展成均匀分布。线粒体在细胞质中能以微管为导轨、由马达蛋白提供动力向功能旺盛的区域迁移。

组成

线粒体的化学组分主要包括水、蛋白质和脂质,此外还含有少量的辅酶等小分子及核酸。蛋白质占线粒体干重的65%~70%。线粒体中的蛋白质既有可溶的也有不溶的。可溶的蛋白质主要是位于线粒体基质的酶和膜的外周蛋白;不溶的蛋白质构成膜的本体,其中一部分是镶嵌蛋白,也有一些是酶。线粒体中脂类主要分布在两层膜中,占干重的20%~30%。在线粒体中的磷脂占总脂质的3/4以上。同种生物不同组织线粒体膜中磷脂的量相对稳定。含丰富的心磷脂和较少的胆固醇是线粒体在组成上与细胞其他膜结构的明显差别。

结构

线粒体由外至内可划分为线粒体外膜(OMM)、线粒体膜间隙、线粒体内膜(IMM)和线粒体基质四个功能区。处于线粒体外侧的膜彼此平行,都是典型的单位膜。其中,线粒体外膜较光滑,起细胞器界膜的作用;线粒体内膜则向内皱褶形成线粒体嵴,负担更多的生化反应。这两层膜将线粒体分出两个区室,位于两层线粒体膜之间的是线粒体膜间隙,被线粒体内膜包裹的是线粒体基质。

二、线粒体主要结构

外膜

线粒体外膜是位于线粒体最外围的一层单位膜,厚度约为6~7nm。其中磷脂与蛋白质的质量为0.9:1,与真核细胞细胞膜的同一比例相近。线粒体外膜中酶的含量相对较少,其标志酶为单胺氧化酶。线粒体外膜包含称为“孔蛋白”的整合蛋白,其内部通道宽约2~3nm,这使线粒体外膜对分子量小于5000Da的分子完全通透。分子量大于上述限制的分子则需拥有一段特定的信号序列以供识别并通过外膜转运酶(TOM)的主动运输来进出线粒体。线粒体外膜主要参与诸如脂肪酸链延伸、肾上腺素氧化以及色氨酸生物降解等生化反应,它也能同时对那些将在线粒体基质中进行彻底氧化的物质先行初步分解。细胞凋亡过程中,线粒体外膜对多种存在于线粒体膜间隙中的蛋白的通透性增加,使致死性蛋白进入细胞质基质,促进了细胞凋亡。高分辨三维X射线摄影可见内质网及线粒体之间的有20%膜是紧密接触的,在这些接触位点上线粒体外膜与内质网膜通过某些蛋白质相连,形成称为“线粒体结合内质网膜”(MAM)的结构。该结构在脂质的相互交换和线粒体与内质网间的钙离子信号传导等过程中都有重要作用。

膜间隙

线粒体膜间隙是线粒体外膜与线粒体内膜之间的空隙,宽约6~8nm,其中充满无定形液体。由于线粒体外膜含有孔蛋白,通透性较高,而线粒体内膜通透性较低,所以线粒体膜间隙内容物的组成与细胞质基质十分接近,含有众多生化反应底物、可溶性的酶和辅助因子等。线粒体膜间隙中还含有比细胞质基质中浓度更高的腺苷酸激酶、单磷酸激酶和二磷酸激酶等激酶,其中腺苷酸激酶是线粒体膜间隙的标志酶。线粒体膜间隙中存在的蛋白质可统称为“线粒体膜间隙蛋白质”,这些蛋白质全部在细胞质基质中合成。

内膜

线粒体内膜是位于线粒体外膜内侧、包裹着线粒体基质的单位膜。线粒体内膜中蛋白质与磷脂的质量比约为0.7:0.3,并含有大量的心磷脂(心磷脂常为细菌细胞膜的成分)。线粒体内膜的某些部分会向线粒体基质折叠形成线粒体嵴。线粒体内膜的标志酶是细胞色素氧化酶。

线粒体通过向内凹形成嵴,从而来增加内膜面积。然后是更多的反应能在内膜上进行。

线粒体内膜含有比外膜更多的蛋白质(超过151种,约占线粒体所含所有蛋白质的五分之一),所以承担着更复杂的生化反应。存在于线粒体内膜中的几类蛋白质主要负责以下生理过程:特异性载体运输磷酸、谷氨酸、鸟氨酸、各种离子及核苷酸等代谢产物和中间产物;内膜转运酶(TIM)运输蛋白质;参与氧化磷酸化中的氧化还原反应;参与ATP的合成;控制线粒体的分裂与融合。

线粒体嵴简称“嵴”,是线粒体内膜向线粒体基质折褶形成的一种结构。线粒体嵴的形成增大了线粒体内膜的表面积。在不同种类的细胞中,线粒体嵴的数目、形态和排列方式可能有较大差别。线粒体嵴主要有几种排列方式,分别称为“片状嵴”、“管状嵴”和“泡状嵴”。片状排列的线粒体嵴主要出现在高等动物细胞的线粒体中,这些片状嵴多数垂直于线粒体长轴;管状排列的线粒体嵴则主要出现在原生动物和植物细胞的线粒体中。有研究发现,睾丸间质细胞中既存在层状嵴也存在管状嵴。线粒体嵴上有许多有柄小球体,即线粒体基粒,基粒中含有ATP合酶,能利用呼吸链产生的能量合成三磷酸腺苷。所以需要较多能量的细胞,线粒体嵴的数目一般也较多。但某些形态特殊的线粒体嵴由于没有ATP合酶,所以不能合成ATP。

德国杜塞尔多夫大学的阿伦·库马尔·孔达迪等研究人员通过超分辨率显微技术发现,嵴是独立的生物能量单位,具有高度的动态性并可以在秒尺度上重构。

基质

线粒体基质是线粒体中由线粒体内膜包裹的内部空间,其中含有参与三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸降解等生化反应的酶等众多蛋白质,所以较细胞质基质黏稠。苹果酸脱氢酶是线粒体基质的标志酶。线粒体基质中一般还含有线粒体自身的DNA(即线粒体DNA)、RNA和核糖体(即线粒体核糖体)。

线粒体DNA是线粒体中的遗传物质,呈双链环状。一个线粒体中可有一个或数个线粒体DNA分子。线粒体RNA是线粒体DNA的表达产物,RNA编辑也普遍存在于线粒体RNA中,是线粒体产生功能蛋白所必不可少的过程。线粒体核糖体是存在于线粒体基质内的一种核糖体,负责完成线粒体内进行的翻译工作。线粒体核糖体的沉降系数介于55S~56S之间。一般的线粒体核糖体由28S核糖体亚基(小亚基)39S核糖体亚基(大亚基)组成。在这类核糖体中,rRNA约占25%,核糖体蛋白质约占75%。线粒体核糖体是已发现的蛋白质含量最高的一类核糖体。线粒体基质中存在的蛋白质统称为“线粒体基质蛋白质”,包括DNA聚合酶、RNA聚合酶、柠檬酸合成酶以及三羧酸循环酶系中的酶类。大部分线粒体基质蛋白是由核基因编码的。线粒体基质蛋白不一定只在线粒体基质中表达,它们也可以在线粒体外表达。

三、线粒体主要功能

能量转化

线粒体是真核生物进行氧化代谢的部位,是糖类、脂肪和氨基酸最终氧化释放能量的场所。线粒体负责的最终氧化的共同途径是三羧酸循环与氧化磷酸化,分别对应有氧呼吸的第二、三阶段。细胞质基质中完成的糖酵解和在线粒体基质中完成的三羧酸循环在会产还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)和还原型黄素腺嘌呤二核苷酸(FADH2)等高能分子,而氧化磷酸化这一步骤的作用则是利用这些物质还原氧气释放能量合成ATP。在有氧呼吸过程中,1分子葡萄糖经过糖酵解、三羧酸循环和氧化磷酸化将能量释放后,可产生30~32分子ATP(考虑到将NADH运入线粒体可能需消耗2分子ATP)。如果细胞所在环境缺氧,则会转而进行无氧呼吸。此时,糖酵解产生的丙酮酸便不再进入线粒体内的三羧酸循环,而是继续在细胞质基质中反应(被NADH还原成乙醇或乳酸等发酵产物),但不产生ATP。所以在无氧呼吸过程中,1分子葡萄糖只能在第一阶段产生2分子ATP。

三羧酸循环

糖酵解中生成的每分子丙酮酸会被主动运输转运穿过线粒体膜。进入线粒体基质后,丙酮酸会被氧化,并与辅酶A结合生成CO2、还原型辅酶Ⅰ和乙酰辅酶A。乙酰辅酶A是三羧酸循环(也称为“柠檬酸循环”或“Krebs循环”)的初级底物。参与该循环的酶除位于线粒体内膜的琥珀酸脱氢酶外都游离于线粒体基质中。在三羧酸循环中,每分子乙酰辅酶A被氧化的同时会产生起始电子传递链的还原型辅因子(包括3分子NADH和1分子FADH2)以及1分子三磷酸鸟苷(GTP)。

氧化磷酸化

NADH和FADH2等具有还原性的分子(在细胞质基质中的还原当量可从由逆向转运蛋白构成的苹果酸-天冬氨酸穿梭系统或通过磷酸甘油穿梭作用进入电子传递链)在电子传递链里面经过几步反应最终将氧气还原并释放能量,其中一部分能量用于生成ATP,其余则作为热能散失。在线粒体内膜上的酶复合物(NADH-泛醌还原酶、泛醌-细胞色素c还原酶、细胞色素c氧化酶)利用过程中释放的能量将质子逆浓度梯度泵入线粒体膜间隙。虽然这一过程是高效的,但仍有少量电子会过早地还原氧气,形成超氧化物等活性氧(ROS),这些物质能引起氧化应激反应使线粒体性能发生衰退。

当质子被泵入线粒体膜间隙后,线粒体内膜两侧便建立起了电化学梯度,质子就会有顺浓度梯度扩散的趋势。质子唯一的扩散通道是ATP合酶(呼吸链复合物V)。当质子通过复合物从膜间隙回到线粒体基质时,电势能被ATP合酶用于将ADP和磷酸合成ATP。这个过程被称为“化学渗透”,是一种协助扩散。彼得·米切尔就因为提出了这一假说而获得了1978年诺贝尔奖。1997年诺贝尔奖获得者保罗·博耶和约翰·瓦克阐明了ATP合酶的机制。

储存钙离子

线粒体可以储存钙离子,可以和内质网、细胞外基质等结构协同作用,从而控制细胞中的钙离子浓度的动态平衡。线粒体迅速吸收钙离子的能力使其成为细胞中钙离子的缓冲区。在线粒体内膜膜电位的驱动下,钙离子可由存在于线粒体内膜中的单向运送体输送进入线粒体基质;排出线粒体基质时则需要钠-钙交换蛋白的辅助或通过钙诱导钙释放(CICR)机制。在钙离子释放时会引起伴随着较大膜电位变化的“钙波”,能激活某些第二信使系统蛋白,协调诸如突触中神经递质的释放及内分泌细胞中激素的分泌。线粒体也参与细胞凋亡时的钙离子信号转导。

其他功能

除了合成ATP为细胞提供能量等主要功能外,线粒体还承担了许多其他生理功能。

1、调节膜电位并控制细胞程序性死亡:当线粒体内膜与外膜接触位点处生成了由己糖激酶(细胞质基质蛋白)、外周苯并二氮受体和电压依赖阴离子通道(线粒体外膜蛋白)、肌酸激酶(线粒体膜间隙蛋白)、ADP-ATP载体(线粒体内膜蛋白)和亲环蛋白D(线粒体基质蛋白)等多种蛋白质组成的通透性转变孔道(PT孔道)后,会使线粒体内膜通透性提高,引起线粒体跨膜电位的耗散,从而导致细胞凋亡。线粒体膜通透性增加也能使诱导凋亡因子(AIF)等分子释放进入细胞质基质,破坏细胞结构。

2、细胞增殖与细胞代谢的调控;

3、合成胆固醇及某些血红素。

线粒体的某些功能只有在特定的组织细胞中才能展现。例如,只有肝脏细胞中的线粒体才具有对氨气(蛋白质代谢过程中产生的废物)造成的毒害解毒的功能。

四、线粒体遗传学

线粒体基因组

线粒体基因组中基因的数量很少,规模远小于细菌基因组。但内共生学说认为线粒体源于被吞噬的细菌,那么两者基因组规模应该较为相似。为了解释这一现象,有猜想认为原线粒体的基因除了丢失了一些外,大部分转移到了宿主细胞的细胞核中,所以核基因编码了在超过98%的线粒体表达内的蛋白质。某些有线粒体,但线粒体中不含DNA的生物(如隐孢子虫等)的mtDNA可能已完全丢失或整合入核DNA中。线粒体DNA(mtDNA)在线粒体中有2-10个备份,呈双链环状(但也有呈线状的特例存在)。mtDNA长度一般为几万至数十万碱基对,人类mtDNA的长度为16,569bp,拥有有37个基因,编码了两种rRNA(12S rRNA和16S rRNA)、22种tRNA(同样转运20种标准氨基酸,只是亮氨酸和丝氨酸都有两种对应的tRNA)以及13种多肽(呼吸链复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的亚基)。mtDNA的长度和线粒体基因组的大小因物种而异。

mtDNA利用率极高,线粒体基因组各基因之间排列十分紧凑,部分区域还可能出现重叠(即前一个基因的最后一段碱基与下一个基因的第一段碱基相衔接)。人类mtDNA中基因间隔区总共只有87bp,占mtDNA总长的0.5%。mtDNA的两条DNA单链均有编码功能,其中重链编码两个rRNA、12个mRNA和14个tRNA;轻链编码一个mRNA和8个tRNA。mtDNA一般没有内含子(如人类的mtDNA等),但也已发现某些真核生物的mtDNA拥有内含子,这些生物包括:盘基网柄菌等原生生物和酵母菌(其OXi3基因有9个内含子)。这些mtDNA中的内含子在基因转录产物的加工和翻译中可能有一定功能。

线粒体基因组通常都是存在于同一个mtDNA分子中,但少数生物的线粒体基因组却分别储存在多个不同的mtDNA中。例如,人虱的线粒体基因组就分开储藏于18个长约3-4kb的微型环状DNA中,每个DNA分子只分配到了1-3个基因。这些微型环状DNA之间也存在着同源或非同源的基因重组现象,但成因未知。

2019年3月,发表在PNAS《美国科学院院刊》上的研究表明,线粒体可由父系遗传。来自美国辛辛那提儿童医院的黄涛生博士和梅奥诊所的Paldeep Atwal博士称他们在三个家庭中发现了mtDNA双亲遗传。传统观念里,大多数哺乳动物的线粒体和线粒体DNA都是只通过母系遗传。尽管有其他物种已被发现线粒体偶尔会经历父系遗传,但之前关于人类父系遗传线粒体的报道大多是因为污染或样本混淆。然而,2019年美国的实验室发表论文,称他们在三个家庭中发现了mtDNA双亲遗传。研究人员还在独立实验室中通过不同方法证实了他们的成果。

遗传密码

线粒体中拥有一套独特的遗传系统。在进行人类线粒体遗传学研究时,人们确认线粒体的遗传密码与通用遗传密码也有些许差异。自从上述发现证明并不只存在单独的一种遗传密码之后,许多有轻微不同的遗传密码都陆续连发现。在线粒体的遗传密码中最常见的差异是:AUA由终止密码子变为甲硫氨酸的密码子、UGA由终止密码子变为色氨酸的密码子、AGA和AGG由精氨酸的密码子变为终止密码子。此外,也有某些特例是只涉及终止密码子的,在山羊支原体线粒体遗传密码的UGA由终止密码子变为色氨酸的密码子,而且使用频率比UGG更高;四膜虫线粒体遗传密码里只有UGA一种终止密码子,其UAA和UAG由终止密码子变为谷氨酰胺的密码子;而游仆虫线粒体遗传密码里则只有UAA和UAG两种终止密码子,其UGA由终止密码子变为半胱氨酸的密码子。通过线粒体遗传密码和通用遗传密码的对比,可以推导出遗传密码演化过程的可能模式。

分裂与融合

线粒体的融合是与分裂协同进行的,过程高度保守,需要在多种蛋白质的精确调控下完成。两者一般保持动态平衡,这种平衡对维持线粒体正常的形态、分布和功能十分重要。线粒体融合与分裂间的失衡可产生巨型线粒体,这种过大的线粒体常见于病变的肝细胞、恶性营养不良患者的胰脏细胞和白血病患者骨髓的巨噬细胞中。分裂异常会导致线粒体破碎,而融合异常则会导致线粒体形态延长,两者都会影响线粒体的功能。分裂与融合活动异常的线粒体膜电位通常会降低,并最终经线粒体自噬作用清除。

线粒体的分裂在真核细胞内经常发生。为了保证在细胞发生分裂后每个子细胞都能继承母细胞的线粒体,母细胞中的线粒体在一个细胞周期需要至少复制一次。即使是在不再分裂的细胞内,线粒体为了填补已老化的线粒体造成的空缺也需要进行分裂。的线粒体以与细菌的无丝分裂类似的方式进行增殖,可细分为三种模式:

1、间壁分离(见于部分动物和植物线粒体):线粒体内部首先由内膜形成隔,随后外膜的一部分内陷,插入到隔的双层膜之间,将线粒体一分为二。

2、收缩分离(见于蕨类植物和酵母菌线粒体):线粒体中部先缢缩同时向两端不断拉长然后一分为二。

3、出芽分离(见于藓类植物和酵母菌线粒体):线粒体上先出现小芽,小芽脱落后成长、发育为成熟线粒体。

线粒体的融合也是细胞中的基本事件,对线粒体正常功能的发挥具有非常重要的作用。人类细胞需要通过线粒体融合的互补作用来抵抗衰老;酵母细胞线粒体融合发生障碍会引起呼吸链缺陷。线粒体间的融合需在一种分子量约为800kDa的蛋白质复合物——“融合装置”的介导下进行,该过程可大致分为四个步骤:锚定、外膜融合、内膜融合以及基质内含物融合。

群体遗传学

因为mtDNA几乎不发生基因重组,所以遗传学家长期将其作为研究群体遗传学与进化生物学的信息来源。所有mtDNA是以单一单元(单体型)进行遗传的(而不像细胞核中的DNA储存在多个染色体中),它们在亲本与子代之间的传递关系并不复杂,因此不同个体间mtDNA的联系便可以利用系统发生树来表现。而从这些系统发生树的形态中人们可以得知种群的进化史。人类进化遗传学中运用分子钟技术推算出了线粒体夏娃最晚出现的时间(这个成果被认为是人类由非洲单地起源的有力依据)是利用mtDNA研究群体遗传学的典型例子。另外一个例子是对尼安德特人骨骼化石中mtDNA测序。该测序的结果显示,尼安德特人与解剖学意义上的现代人在mtDNA序列上有较大差异,说明两者间缺乏基因交流。虽然mtDNA在遗传学研究中占据了重要地位,但是mtDNA序列中的信息只能反映所考察的群体中的雌性成员的演化进程,而不能代表整个种群。这一缺陷需要由对父系遗传序列(如Y染色体上的非重组区)的测序弥补。广义上来说,只有既考虑了mtDNA又考虑了核DNA的遗传学研究才能为种群的进化史提供全面的线索。

五、线粒体病理改变

线粒体是对各种损伤最为敏感的细胞器之一。在细胞损伤时最常见的病理改变可概括为线粒体数量、大小和结构的改变:

数量的改变

线粒体的平均寿命约为10天。衰亡的线粒体可通过保留的线粒体直接分裂为二予以补充。在病理状态下,线粒体的增生实际上是对慢性非特异性细胞损伤的适应性反应或细胞功能升高的表现。例如心瓣膜病时的心肌线粒体、周围血液循环障碍伴间歇性跛行时的骨骼肌线粒体的呈增生现象。

线粒体数量减少则见于急性细胞损伤时线粒体崩解或自溶的情况下,持续约15分钟。慢性损伤时由于线粒体逐渐增生,故一般不见线粒体减少(甚至反而增多)。此外,线粒体的减少也是细胞未成熟和(或)去分化的表现。

大小改变

细胞损伤时最常见的改变为线粒体肿大。根据线粒体的受累部位可分为基质型肿胀和嵴型肿胀二种类型,而以前者为常见。基质型肿胀时线粒体变大变圆,基质变浅、嵴变短变少甚至消失。在极度肿胀时,线粒体可转化为小空泡状结构。此型肿胀为细胞水肿的部分改变。光学显微镜下所谓的浊肿细胞中所见的细颗粒即肿大的线粒体。嵴型肿较少见,此时的肿胀局限于嵴内隙,使扁平的嵴变成烧瓶状乃至空泡状,而基质则更显得致密。嵴型肿胀一般为可复性,但当膜的损伤加重时,可经过混合型而过渡为基质型。

线粒体为对损伤极为敏感的细胞器,其肿胀可由多种损伤因子引起,其中最常见的为缺氧;此外,微生物毒素、各种毒物、射线以及渗透压改变等亦可引起。但轻度肿大有时可能为其功能升高的表现,较明显的肿胀则恒为细胞受损的表现。但只要损伤不过重、损伤因子的作用不过长,肿胀仍可恢复。

线粒体的增大有时是器官功能负荷增加引起的适应性肥大,此时线粒体的数量也常增多,例如见于器官肥大时。反之,器官萎缩时,线粒体则缩小、变少。

结构的改变

线粒体嵴是能量代谢的明显指征,但嵴的增多未必均伴有呼吸链酶的增加。嵴的膜和酶平行增多反映细胞的功能负荷加重,为一种适应状态的表现;反之,如嵴的膜和酶的增多不相平行,则是胞浆适应功能障碍的表现,此时细胞功能并不升高。

在急性细胞损伤时(大多为中毒或缺氧),线粒体的嵴被破坏;慢性亚致死性细胞损伤或营养缺乏时,线粒体的蛋白合成受障,以致线粒体几乎不再能形成新的嵴。

根据细胞损伤的种类和性质,可在线粒体基质或嵴内形成病理性包含物。这些包含物有的呈晶形或副晶形(可能由蛋白构成),如在线粒体性肌病或进行性肌营养不良时所见,有的呈无定形的电子致密物,常见于细胞趋于坏死时,乃线粒体成分崩解的产物(脂质和蛋白质),被视为线粒体不可复性损伤的表现。线粒体损伤的另一种常见改变为髓鞘样层状结构的形成,这是线粒体膜损伤的结果。

衰亡或受损的线粒体,最终由细胞的自噬过程加以处理并最后被溶酶体酶所降解消化。

 

六、线粒体与衰老

线粒体是直接利用氧气制造能量的部位,90%以上吸入体内的氧气被线粒体消耗掉。但是,氧是个“双刃剑”,一方面生物体利用氧分子制造能量,另一方面氧分子在被利用的过程中会产生极活泼的中间体(活性氧自由基)伤害生物体造成氧毒性。生物体就是在不断地与氧毒性进行斗争中求得生存和发展的,氧毒性的存在是生物体衰老的最原初的原因。线粒体利用氧分子的同时也不断受到氧毒性的伤害,线粒体损伤超过一定限度,细胞就会衰老死亡。生物体总是不断有新的细胞取代衰老的细胞以维持生命的延续,这就是细胞的新陈代谢。

七、线粒体与疾病

人类线粒体出现问题会导致线粒体病,线粒体病是一大类遗传代谢病,线粒体病主要包括:母系遗传Leigh综合征、线粒体肌病、多系统疾病、心肌病、进行性眼外肌麻痹、Leer遗传性视神经病、线粒体肌病,肌病,糖尿病和耳聋、共济失调舞蹈病、细胞外基质慢性游走性红斑、进行性眼外肌麻痹、肌红蛋白尿电机神经元疾病,铁粒幼细胞贫血、MERRF-线粒体肌病、肌阵挛(癫痫)、线粒体脑肌病、MERRF、线粒体肌病、共济失调并发色素性视网膜炎、家族性双侧纹状体坏死、共济失调并发色素性视网膜炎、家族性双侧纹状体坏死、骨骼肌溶解症、婴儿猝死综合征等等疾病。

线粒体病遗传方式复杂,导致疾病的原因主要由核基因和线粒体基因造成,临床表现复杂,确切病因的诊断十分困难,往往通过大分子酶学活性检测分析并结合遗传学基因分析的双重手段确定病因。

线粒体基因组属于母系遗传,为了避免新生儿缺陷,产前妈妈的线粒体基因组分析十分必要。

八、线粒体与癌症

由于线粒体在细胞内起着关键的作用,因此线粒体有时候和很多疾病的发病直接相关,比如癌症。

2014年7月,科学家发现促进癌症转移的线粒体开关,线粒体是细胞的能量工厂,当肿瘤细胞中线粒体的功能发生改变时就会促进细胞的迁移,最终导致肿瘤成功转移。研究人员测定了肿瘤细胞中线粒体促进肿瘤转移过程中涉及的分子机制,结果发现,在特定的条件下,线粒体可以产生过多的超氧离子自由基,超氧离子的过量产生就会引发肿瘤转移灶的形成,最终肿瘤转移组织就会在新的组织中形成肿瘤。

科学家们通过研究发现,肿瘤细胞中的线粒体含有一种特殊的蛋白质网络,该网络对于维持线粒体的清洁功能非常重要,其不仅可以使肿瘤细胞扩散,而且还可以帮助肿瘤实现扩散。

近年来,科学家们在线粒体和癌症关联性研究中取得了一些可喜的成果,对于探索线粒体与癌症之间的相关性以及癌症的防治具有重要意义。

癌症转移

转移是肿瘤细胞常常用以形成恶性癌症组织的策略,肿瘤转移往往会导致患者较差的预后,而设法阻断肿瘤的转移或者抑制恶性肿瘤组织的形成则是抵御癌症的一种新思路。来自鲁汶大学的研究人员通过研究成功地在小鼠体内实现了抑制肿瘤转移的目的,相关研究成果刊登在了国际杂志CellReports上。

研究者PierreSonveaux的研究小组通过研究发现了一种新型的药物化合物可以有效阻断肿瘤的转移,而正是由于研究人员对肿瘤细胞线粒体的深入研究才获得了如今的研究结果,线粒体是细胞的能量工厂,当肿瘤细胞中线粒体的功能发生改变时就会促进细胞的迁移,最终导致肿瘤成功转移。

癌细胞侵袭并使线粒体畸变

一篇刊登于国际杂志MolecularCell上的研究报告中,来自弗吉尼亚大学的科学家通过研究表明,许多癌症,包括几乎所有的胰腺癌都会侵袭并且使得细胞的能量工厂—线粒体畸变,从而产生利于肿瘤生长的环境。

研究表明,在癌细胞存在的情况下,线粒体会被驱动进行不自然地分裂从而失去其正常的形状,并且在细胞核周围被瓦解,最终的结局就会产生对癌细胞生长较适合的环境;如果可以阻断该过程,人们终有一天就会开发出新型策略来阻断肿瘤的生长。

研究者DavidKashatus说道,或许同其它抑制剂相结合我们才可以对线粒体的分裂进行靶向作用,而如今我们希望这可以在抑制癌症的疗法上带来一点帮助。在这项研究中,研究者主要对由Ras基因突变引发的肿瘤进行研究,Ras突变在大约30%的癌症中都存在,Ras可以激活一种名为MAP的激酶通路,而该通路在很多年前研究者就已经发现了。研究者表示,细胞间的交流可以促进线粒体以非常规的频率进行分裂。

线粒体可助癌细胞持续旺盛地增殖

癌细胞为何具有如此旺盛的生命力,即便是在其面对毒性药物、放疗甚至是机体免疫系统时依然可以死灰复燃。一项刊登在国际杂志TheFASEBJournal上的研究论文中,来自俄罗斯科学院的研究人员通过研究表示,由一种波形蛋白(VIF)形成的中间丝可以使得癌细胞中的线粒体有效地被保护以免于损伤。

在正常情况下,VIF可以作为细胞的骨骼来帮助维持细胞的形状,而在癌细胞中,VIF则会帮助保护癌细胞的能量供给中心—线粒体,其可以帮助癌细胞抵御来自外界的各种攻击,由于许多癌症疗法可以靶向作用癌细胞的线粒体,因此该研究或将帮助研究人员开发出有效治疗癌症的新型药物。

研究者AlexanderA.Minin博士表示,此前研究人员在某些肿瘤细胞发生恶性转化的过程中发现了波形蛋白的表达,自从那时起这种蛋白就被用作临床诊断的生物标志物,然而波形蛋白在促进癌症转移上的角色至今尚不清楚;我们的研究就解决了这一问题,研究者发现,肿瘤细胞能动表型的获得需要线粒体增强能量的产生,而VIFs则会通过增加线粒体膜的跨膜电位(MMP)来完成这个任务。

线粒体缺陷肿瘤细胞的代谢机制

德克萨斯大学西南医学中心儿童医学中心研究所获得了一个突破性的研究发现,由RalphDeBerardinis医学博士领导一个研究小组揭示了使某些恶性肿瘤发展壮大的非典型代谢途径的“密码”,为战胜这种癌症提供了一个可能的“路线图”。

DeBerardinis博士等人阐述了引起一系列能量生成化学反应(被称为三羧酸循环)反向运作的触发机制的关键作用。

线粒体在肿瘤免疫杀伤中的新作用

来自美国斯克里普斯研究所的研究人员在国际学术期刊naturecommunication上发表了一项最新研究进展,他们发现参与细胞死亡的一个酶具有新功能。这项研究证明了这种叫做RIPK3的酶如何在细胞线粒体与免疫系统之间进行信号传递。

这项新研究表明,这一交互作用不仅对于启动抗肿瘤免疫应答非常重要,同时对于调节可能导致自身免疫性疾病的炎症性应答也非常重要。

之前研究证明RIPK3能够控制对一种细胞程序性死亡--坏死性凋亡的诱导过程。但科学家们对于RIPK3在免疫系统中发挥何种作用仍不清楚。

线粒体特殊蛋白网络或可促进肿瘤细胞发生增殖转移

作为细胞的能量工厂,线粒体对于每个有机体都非常重要,因为其可以产生维持细胞生存的能量,但线粒体如何在癌细胞中发挥作用的机制目前并没有被完全阐明,一般而言,肿瘤细胞的增殖效率要远高于正常组织,因此科学家们就预测保留线粒体功能的机制或许对于支持肿瘤生长扩展非常重要。

刊登于国际杂志PLoSBiology上的一项研究报告中,来自维斯拓研究院(TheWistarInstitute)的研究人员通过研究在肿瘤细胞的线粒体中鉴别出了一种特殊的蛋白网络,其对于维持癌细胞线粒体的清洁功能非常重要,不仅可以促进肿瘤细胞增殖,还可以帮助癌细胞迁移并且侵入到其它器官中。随后研究者关闭了该蛋白网络中单个亚单位,从而就可以大幅降低癌细胞生长和扩散的能力,这就或许就提供了一种新型的治疗靶点。

干细胞中线粒体和肿瘤形成的关系

研究报道了一种存在于干细胞中的未知关系,即分化潜能与线粒体代谢效率之间的联系,后者是一种细胞的能量标志。干细胞的线粒体活性越强,它所拥有的分化能力就越高,而且形成肿瘤的可能性也更大。

这项发现能为从机体中富集适合治疗用途的干细胞提供方法,也能为干细胞在癌症中的作用研究提供信息。

该研究由国家心、肺、血液研究所(NHBLI)的TorenFinkel及其同事完成,他们以线粒体功能为指标,筛选小鼠的胚胎干细胞(检测线粒体质膜内外的电压差,类似于神经活性的检测),并且发现从外观上和干细胞关键标志因子的表达量上,都很难区别干细胞代谢水平的高低。

然而,这两种代谢水平不同的细胞移植到小鼠体内之后却表现出相反的特征,代谢率低的细胞分化为其他细胞的效率较高,而代谢率高的细胞则更倾向于分裂增殖,并形成畸胎瘤,这是一种由不同类型组织混合而成的肿瘤类似物。

线粒体突变导致肿瘤扩散

癌症往往会在肿瘤扩散到其他组织后发动致命一击。一项发表在《科学》(Science)杂志网络版上的研究为人们了解这一被称为转移的过程提供了最新的认识。研究人员报告说,线粒体脱氧核糖核酸(DNA)突变能够刺激转移,但这一过程同时能够被药物所逆转——至少在小鼠身上是这样。

为了研究mtDNA突变在癌症中扮演的角色,日本筑波大学的Jun-IchiHayashi研究小组与合作者将两种小鼠肿瘤细胞中的mtDNA进行了交换——一种细胞会发生转移而另一种则不会。当研究人员用这种杂交细胞对小鼠实施皮下注射后,这些细胞逐渐发育为肿瘤并最终扩散到肺。与注射了来自较少转移倾向的细胞mtDNA的小鼠相比,那些体内携带转移细胞mtDNA的小鼠形成了更多的肺肿瘤,这意味着mtDNA便是最终的罪魁祸首。然而mtDNA似乎与最初的肿瘤形成无关——当研究人员将来自转移细胞的mtDNA交换到正常细胞中后,后者并没有形成肿瘤。

线粒体缺陷与肿瘤细胞的发生发展密切相关

肿瘤细胞拒绝遵守正常细胞的规矩,它们没休没止的分裂,入侵组织并以异常利用率消耗葡萄糖。宾夕法尼亚大学科学家研究发现线粒体的缺陷,在正常细胞癌变的过渡中起到关键作用。当宾夕法尼亚大学的科学家打乱了线粒体的一个重要组成部分后,正常细胞出现了肿瘤细胞的特征。

九、靶向线粒体抗肿瘤疗法

靶向肿瘤能量代谢

肿瘤细胞能量代谢发生改变,相比正常组织细胞的氧化磷酸化(OXPHOS),癌细胞为了维持生存和满足生物大分子的需要,选择了激活另一种能量代谢方式:有氧糖酵解。

目前,关于肿瘤细胞能量代谢的研究十分火热,科学人员都寄希望系统地利用其代谢的特点,找到靶向肿瘤能量代谢通路中的潜在药物作用靶点,从而达到控制癌症的目的。

但到目前为止,这种策略仍存在很多限制,因为肿瘤中存在代谢异质性,还存在其它代谢补偿途径;这些策略仍存在不可预见的副作用以及对不同情况下的癌症患者需要严格的分类标准等等。

靶向肿瘤细胞中的线粒体,有可能抑制肿瘤的生长、转移。

改变癌细胞代谢

Manchester科学家们发现一种新的药物,能抑制肿瘤的生长,并且将其与放射疗法结合后其有效性得到改进,这表明其可以在临床中有效治疗肿瘤。

许多肿瘤都缺氧,并且肿瘤能量生成过程会发生变化,从有氧呼吸切换到糖酵解并生成乳酸作为副产物。

为了防止乳酸对肿瘤细胞造成毒性,这种乳酸必须被单羧酸转运蛋白(MCT)分子转运出肿瘤细胞。

阿斯利康药物的新药AZD3965抑制肺癌细胞中单羧酸转运蛋白中的一种即MCT1。英国曼彻斯特大学研究人员进一步研究这种药物与放疗组合的治疗效果。

(三)癌症治疗差异性与线粒体数量相关

同一基因组的癌细胞为何对同一疗法产生不同的治疗疗效呢?目前已知很多原因会导致这一现象的产生。来自西奈山和IBM的研究人员通过对TNF相关细胞凋亡诱导配体(TRAIL)的诱导和使用一个新的统计方法,证明可变线粒体丰度与细胞存活和细胞死亡反应相关。

研究人员通过定量数据分析和建模,将这种效应归因于线粒体表面促凋亡蛋白Bax / Bak的可变有效浓度。此外这项研究表明,用于癌症治疗的抗凋亡Bcl-2家族蛋白抑制剂可能会增加细胞反应的多样性,增强肿瘤细胞对治疗的抵抗力。

相同基因组成的个体细胞通常对环境变化有不同的反应。 对于细胞死亡可用分数响应来衡量其数量的改变。 这些类型的反应归因于细胞内在的随机过程和生物化学成分(如蛋白质)的丰富程度,但细胞器对其的影响仍在研究中。

为了促进正常功能,我们的身体每天要通过细胞凋亡机制消除数十亿个细胞。线粒体也可以作为细胞凋亡激活的催化剂,某些抗癌药物通过激活这一过程发挥作用。由于这一机制的存在,研究人员做出了这样的假设:当具有相同基因组成但具有不同数量线粒体的癌细胞暴露于促进细胞凋亡的相同药物时,其可能产生不同的细胞死亡易感性。在暴露各种类型的细胞凋亡诱导剂后,西奈山和IBM研究小组研究了凋亡药物浓度与存活细胞内线粒体的丰度之间的关系,他们发现存活的细胞比未处理的细胞具有更多的线粒体。这有力地表明线粒体较少的细胞更有可能对某些药物治疗产生相应的抗性。

为了分析这些数据,研究人员使用称为DEPICTIVE的数学框架(通过推导方差解释来明确参数对细胞间变异性的影响)来量化由线粒体丰度引起的细胞存活或死亡的变异性。该框架明确了线粒体的可变性对促凋亡药物具有不同的适应性,其变异程度高达30%。

IBM研究院转化系统生物学的团队负责人Pablo Meyer博士表示,“通过加强我们对线粒体变异与药物反应之间关系的理解,可能会有利于开发出更有效的靶向癌症治疗,这也使我们能够找到解决耐药性问题的新方法”。

这项研究明确了肿瘤细胞内线粒体丰度与肿瘤细胞抗性产生密切相关,但这不仅限于个体之间的差异,而是在同一个体内肿瘤细胞间也存在线粒体丰度的差异,因此,这也给未来的药物开发带来了相应的困难。同时这项研究也证明了用于癌症治疗的抗凋亡Bcl-2家族蛋白抑制剂可能会增加细胞反应的多样性,增强肿瘤细胞对治疗的抵抗力,这或许对当前抗凋亡Bcl-2家族蛋白抑制剂的使用提出了更为苛刻的使用条件,医生是否会考虑使用该药后其导致的抗性增加呢?这一点我们不得而知,但我们可以肯定的是目前仍需要大量临床数据来揭示这两者之间的关系。

(四)从线粒体看衰老与癌症

近年来关于线粒体的研究虽然很多,但对科研人员来说它们仍只是具有神秘色彩微妙小结构组成的细胞"发电站",虽然大家已经认识到线粒体的功能远远不止这点,但它具体参与哪些以及如何参与细胞功能调节仍非常模糊。

线粒体在与真核细胞共生之前,就已经经过了漫长的进化史。科研工作者认为它与真核细胞的共生保证了细胞能正常生存、工作。最近越来越多的研究发现线粒体在细胞中的作用远远不止"细胞能量站"。它们参与了各种细胞功能调控,与很多人类疾病存在着莫大的联系。包括细胞信号传导、代谢、自噬、衰老和肿瘤发生都与线粒体的质量和活性相关。

 MolecularCell和TrendsinBiochemicalSciences这两个Cell子刊中用专题特稿来强调了线粒体的独特性以及线粒体与细胞众多功能之间的联系。

所以在生命科学领域,对线粒体的功能研究靶向人类衰老和癌症将会是一个非常热门的领域。

线粒体质量和活性下降已与人类正常衰老以及衰老相关疾病的发展存在密切的联系。一些相关研究列举了线粒体功能下降对人类衰老起着推动作用的相关证据。研究者讨论了线粒体在细胞老化、慢性炎症以及年龄依赖的干细胞活性分别对个体衰老的影响,也讨论了线粒体未正确折叠蛋白反应与细胞自噬之间的调控关系。他们的重点是通过对这些线粒体参与的信号调控通路,反过来有助于延长人类的寿命。这些结果表明,线粒体影响、调节了关于个体衰老相关的信号通路。如果找到可以提高线粒体的质量和功能的策略,对人类寿命延长来说具有深远的意义。

几十年前,OttoWarburg观察到了癌症在有氧条件下会进行葡萄糖酵解。一段时间内,科研人员猜测线粒体功能缺陷可是癌症发生的根本原因。但是,现在最新研究都证实在肿瘤细胞中线粒体并无缺陷。癌细胞在一些与癌症相关的基因突变和蛋白表达推动了代谢上的变化。科研人员认为癌细胞通过有氧糖酵解可以获得更多的生物大分子合成原料。这些生物分子为癌细胞快速分裂增殖提供物质基础(蛋白质、脂质、核酸和碳水化合物)。这些与癌症相关的基因突变表达的蛋白还调控着线粒体的功能,控制了细胞的能量产生、氧化还原平衡,进而影响机体的先天免疫系统以及细胞凋亡等。

事实上,在癌症细胞中,线粒体的生物合成和质量控制都普遍上调了。一些癌细胞中存在线粒体中三羧酸循环中相关酶的基因突变,从而促进了与癌症相关的代谢改变。

研究还发现线粒体内DNA的突变却对线粒体致病(包括癌症发生)有一个阴性选择的作用。那么,通过靶向线粒体DNA,可能为抑制癌症的发生提供一些帮助。在一些数据中显示部分存在线粒体内基因突变的罕见癌症。

所以,线粒体对肿瘤进展为恶性起着重要的调控作用。这也将是未来我们通过靶向线粒体从而达到控制癌症的机会。

细胞衰老与线粒体功能出现障碍都是衰老的标志。但是,到目前为止,细胞衰老和线粒体功能的关系仍不清楚。2015年发表在CellMetabolism的一项工作表明线粒体缺陷会导致线粒体功能障碍(MiDAS)相关的细胞老化。MiDAS会分泌出一些蛋白组,这些蛋白组具有促进一些衰老相关表型的出现。

代谢失调是癌症的新兴标志之一,目前在针对癌症控制和治疗的研究中,已有不少科研工作者希望通过靶向癌细胞特异的代谢途径,从而达到控制和治疗癌症的目的。即使在有氧的条件下,癌细胞中代谢与正常的细胞存在非常大的区别。

正常细胞在线粒体中发生有氧代谢(三羧酸循环,代谢丙酮酸高效率产生ATP的代谢途径),在癌细胞转变成有氧糖酵解(即“Warburg”效应,将葡萄糖代谢成丙酮酸,产ATP效率低)。研究人员通过对线粒体内丙酮酸代谢的相关研究,寄希望找到针对癌症异常代谢的治疗方法来控制癌症。

有研究发现一类存在CHCH结构域(CX9C)的蛋白在二硫化物的帮助下通过MIA通路进入线粒体。这些在进化上保守的蛋白调节着线粒体内的氧化还原反应和线粒体内膜上的脂质平衡,也参与调节线粒体内膜上的动态超微结构平衡。

科研人员在哺乳动物细胞中关于CX9C结构域的蛋白的功能的研究中发现一些蛋白被运输到线粒体内,与线粒体膜上的Mia40/CHCHD3运输通路相关。最后,他们和其它的研究一致认为携带CX9C结构突变的蛋白与一些疾病相关,通过对这个蛋白在线粒体中的作用机制的研究,可以找到对针对这些相关疾病的靶向治疗。

这些研究结果将对那些与衰老相关疾病以及对癌症的治疗都具有指导意义。

(五)靶向调控线粒体动力学的信号通路

脯氨酸代谢对能量产生、氧化还原平衡、信号转导和蛋白质合成等过程至关重要,尤其是在胶原蛋白中,近25%的氨基酸是脯氨酸。在细胞快速增殖的疾病(如癌症)中,脯氨酸合成的需求也明显上升。研究发现脯氨酸水平在癌症患者中有显著性差异,此外,PYCR1,一种对脯氨酸合成至关重要的线粒体蛋白,是癌症中最过表达的代谢酶之一。当脯氨酸水平不足以维持增殖癌细胞的高水平蛋白质合成和氧化还原平衡时,为抑制纤维化和肿瘤生长提供了机会。因此,阐明脯氨酸合成在细胞中的调控机制具有重要意义。

线粒体是处于不断分裂和融合动态过程的亚细胞器,这种动态平衡控制着线粒体的结构、形态和功能。线粒体动力学的改变可以对线粒体的蛋白质募集和代谢活动产生强烈影响,与癌症的发生和发展密切相关。阐明调控线粒体动力学的信号通路是当前细胞生物学和医学的重要研究领域。

细胞外基质(ECM)黏附参与了线粒体动力学和代谢活动的调节,但其潜在的分子机制尚不清楚。PINCH-1蛋白是一种广泛表达和进化保守的黏附蛋白,在细胞增殖、黏附、迁移、基质聚积,细胞内信号转导等过程具有重要作用。近日,《Nature Communication》上发表了一篇题关于PINCH-1调节线粒体动力学,促进脯氨酸合成和肿瘤生长的研究论文,揭示了PINCH-1在线粒体动力学、脯氨酸合成以及肿瘤纤维化和生长中的调节作用。

这项研究证明了PINCG-1是线粒体断裂、脯氨酸合成、肿瘤纤维化和生长的调节剂。PINCH-1敲除后通过增加DRP1的表达诱导线粒体断裂,进而抑Kindlin-2移位到线粒体及Kindlin-2-PYCR1复合物的形成,最终导致脯氨酸细胞增殖能力下降。这些发现确定了一个PINCH-1-DRP1-PYCRI信号轴,它在线粒体动力学和脯氨酸合成的调节中起关键作用,为肿瘤治疗提供了全新的思路。


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