《Blood Science》：Functions of mitochondrial metabolism in hematopoiesis and hematopoietic malignancies
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本综述系统阐述了线粒体作为细胞代谢枢纽与信号转导平台，在正常造血干细胞（HSC）分化及各谱系成熟（如巨核细胞、髓系、红系、淋巴系）中的核心调控作用，及其在急性髓系白血病（AML）、骨髓增生异常综合征（MDS）、急性淋巴细胞白血病（ALL）、慢性髓系白血病（CML）等血液肿瘤发生发展中的代谢重编程（如Warburg效应、谷氨酰胺成瘾、脂代谢改变）。文章重点探讨了由致癌信号驱动的糖酵解-氧化磷酸化（OXPHOS）平衡重塑，并展望了以线粒体为靶点（如BCL-2、IDH1/2、电子传递链复合体）的新型治疗策略，为血液恶性肿瘤的精准医疗提供了新视角。
1. 引言
线粒体作为细胞内具有双膜结构和独立环状DNA（mtDNA）的半自主细胞器，是细胞的能量工厂，通过氧化磷酸化（OXPHOS）产生腺苷三磷酸（ATP）。它不仅是代谢中心，参与三羧酸循环（TCA）、脂肪酸氧化（FAO）、活性氧（ROS）生成等核心过程，更是重要的信号转导平台，调控包括细胞凋亡（通过线粒体外膜透化释放细胞色素c）在内的多种生命活动。在正常造血中，线粒体通过调节ROS水平和提供OXPHOS能量，维持造血干细胞（HSC）功能并指导其分化。在血液肿瘤中，线粒体代谢发生显著重编程，其特征包括Warburg效应、谷氨酰胺依赖和脂代谢改变，这些变化由致癌信号驱动，重新校准了糖酵解与OXPHOS之间的平衡。
2. 线粒体功能评估技术与方法
评估线粒体功能需采用多维度、多技术整合的分析策略。形态学上，可通过透射电镜（TEM）观察线粒体大小、形态和嵴结构，或利用MitoTracker等荧光染料进行实时动态观察。生化水平上，Seahorse能量代谢分析仪可实时测量细胞耗氧率（OCR），精准反映线粒体呼吸功能；ATP含量可通过荧光素酶法或Mito-Rh等特异性荧光探针检测；ROS水平常用MitoSOX Red等探针结合流式细胞术或共聚焦显微镜分析；线粒体膜电位（ΔΨm）则常用JC-1探针通过红/绿荧光强度比进行评估。此外，还有针对线粒体钙稳态（如Fluo-4 AM探针）、膜通透性转换孔（MPTP）开放（钙黄绿素-钴淬灭法）、线粒体自噬（观察相关蛋白表达）以及mtDNA（通过PCR、测序等分析突变、缺失和拷贝数）的专门检测方法。这些技术互为补充，为揭示线粒体在健康与疾病中的核心作用提供了强大支持。
3. 肿瘤发生中的线粒体代谢重编程
3.1. 葡萄糖代谢变化
Warburg效应（即有氧糖酵解）是肿瘤细胞最显著的代谢特征之一，但这并不代表线粒体功能受损。相反，肿瘤细胞中的线粒体仍执行氧化还原功能，并承担更复杂的代谢任务。甚至存在“反向Warburg效应”，即肿瘤微环境中的癌相关成纤维细胞进行有氧糖酵解，产生的代谢物（如乳酸、丙酮酸）被邻近的肿瘤细胞摄取并通过OXPHOS代谢。
3.2. 其他代谢物质的分解代谢与生物合成增强
肿瘤细胞表现出“谷氨酰胺成瘾”，谷氨酰胺在谷氨酰胺酶作用下转化为α-酮戊二酸（α-KG），作为TCA循环的辅助底物。癌基因Myc通过上调谷氨酰胺酶表达增强谷氨酰胺消耗。线粒体还利用TCA循环中间体作为脂肪酸、核苷酸等大分子合成的原料，支持细胞快速增殖。
3.3. 遗传改变导致代谢变化
核DNA和mtDNA的遗传改变共同导致线粒体代谢变化。mtDNA突变与多种癌症相关，例如SUV3抑制会导致mtDNA含量降低、OXPHOS酶抑制、ROS产生增加等。超过98%的线粒体蛋白由核基因组编码，原癌基因和抑癌基因突变参与细胞代谢重编程。例如，抑癌基因p53可通过上调TIGAR表达增强OXPHOS、降低细胞ROS水平；p53失活则会削弱OXPHOS，支持糖酵解，增加ROS产生。
4. 线粒体在正常造血中的功能
4.1. 干细胞功能
HSC代谢对细胞氧化还原电位极其敏感，通常驻留在低氧、低ROS的骨髓（BM）微环境中以维持静息。HSC富含低活性线粒体，在分化为多能祖细胞（MPP）时线粒体数量减少、活性增加，在向下游成熟祖细胞发育时线粒体含量又增加。蛋白酪氨酸磷酸酶线粒体1（PTPMT1）缺失会阻断HSC分化，导致快速造血衰竭。PTPMT1通过调节磷脂酰肌醇磷酸（PIPs）平衡维持线粒体内膜脂质动态平衡，从而协调OXPHOS效率与代谢底物利用。脂肪酸氧化（FAO）产生的乙酰辅酶A（Acetyl-CoA）不仅能缓解ROS水平，还可作为组蛋白乙酰化修饰的底物，表观遗传调控干细胞命运。FAO-过氧化物酶体增殖物激活受体δ（PPARδ）通路还参与HSC的不对称分裂。线粒体自噬对维持HSC稳态至关重要，通过清除功能异常或冗余的线粒体，防止ROS过度产生和代谢过度激活，但需精确调控，过度激活（如Atad3a基因缺失导致Pink1依赖性线粒体自噬过度活化）会损害造血系统。
4.2. 巨核细胞成熟
增加的氧张力或ROS水平促进巨核细胞成熟。p45通过竞争性抑制Nrf2介导的抗氧化基因表达，减少ROS清除，使ROS作为分化信号积累，驱动巨核细胞成熟。Wnt信号通路可增加mtDNA和线粒体生物合成，导致线粒体ROS（mROS）生成增加，诱导巨核细胞分化。线粒体融合蛋白Mitofusin-2（Mfn2）缺失会导致线粒体碎片化，降低代谢效率，影响巨核细胞能量供应。
4.3. 髓系成熟
线粒体通过其代谢状态直接影响髓系祖细胞的分化方向。例如，衰老过程中，簇集素（Clu）与Mfn2相互作用导致线粒体过度融合，增强OXPHOS活性和ROS产生，激活p38 MAPK信号通路上调髓系分化的关键转录因子C/EBPβ表达，驱动髓系分化偏倚。HS1相关蛋白X-1（HAX1）和caseinolytic peptidase B同源物（CLPB）通过HAX1-CLPB-HSP27轴维持线粒体蛋白质稳态，对中性粒细胞正常分化和功能至关重要。缺氧条件下，中性粒细胞利用线粒体产生大量mROS，稳定HIF-1α，促进炎症部位的糖酵解、血管生成和细胞存活。
4.4. 红系成熟
红细胞成熟过程中，网织红细胞通过程序性线粒体自噬清除线粒体。典型的自噬通路涉及BNIP3、FUNDC1等蛋白通过LC3相互作用区（LIR）与脂化的LC3结合，引导自噬体吞噬线粒体。Atg7、Atg5、Ulk1等自噬相关基因敲除会损害但无法完全阻止线粒体清除，提示存在其他途径，如Rab9a依赖的非经典自噬途径，以及Rab5阳性内吞体通过内吞体分选复合物（ESCRT）机制内化去极化线粒体，最终运至溶酶体降解。
4.5. 淋巴系成熟
静止的B和T淋巴细胞代谢静止，活化后发生代谢重编程以满足能量和生物合成前体需求。在B细胞中，高mROS水平通过血红素-Bach2轴抑制浆细胞分化（PCD）基因（如Blimp1），促进类别转换重组（CSR）；低mROS水平则激活Blimp1驱动PCD。在T细胞中，电子传递链复合体I、苹果酸-天冬氨酸穿梭和柠檬酸输出为Th1细胞分化提供底物，而复合体II消耗这些通路底物起拮抗作用。CD8+T细胞中mROS对于IL-2的早期产生和效应功能成熟至关重要。
5. 线粒体与血液系统恶性肿瘤
5.1. 急性髓系白血病（AML）
与大多数白血病相比，AML白血病起始细胞（LICs）氧化应激低，利用线粒体呼吸维持代谢平衡，白血病干细胞（LSCs）高度依赖OXPHOS。AMPK在AML中扮演双重角色：一方面通过促进线粒体稳态、减少ROS和DNA损伤来维持AML活性；另一方面，激活AMPK可诱导未折叠蛋白反应（UPR），导致PERK磷酸化，抑制OXPHOS、TCA循环和嘧啶生物合成，触发线粒体凋亡。异柠檬酸脱氢酶（IDH1/2）突变产生癌代谢物D-2-羟基戊二酸（2-HG），竞争性抑制α-KG，干扰代谢和表观遗传调控，诱发白血病。IDH2抑制剂enasidenib等靶向药物已应用于临床。
5.2. 骨髓增生异常综合征（MDS）
动力相关蛋白1（DRP1）介导的线粒体过度分裂导致ROS过量产生，诱导炎症信号激活，引发MDS无效造血。抑制DRP1可挽救造血表型。MDS伴环状铁粒幼细胞（MDS-RS）与血红素合成通路基因（如ALAS2、SLC25A38、ABCB7）突变相关，导致线粒体内铁沉积形成环状铁粒幼细胞。
5.3. 急性淋巴细胞白血病（ALL）
ALL细胞可通过隧道纳米管（TNTs）与间充质基质细胞（MSCs）进行线粒体转移，帮助抵抗氧化应激，增强化疗耐药性。Notch1突变激活通过c-Myc促进有氧糖酵解，同时通过激活AMPK将糖酵解通量部分重定向至OXPHOS，建立新的代谢平衡。
5.4. 慢性髓系白血病（CML）
原始CML细胞比非白血病HSC更依赖OXPHOS。酪氨酸激酶抑制剂（TKI）耐药性与microRNA（如miR-185）表达失调相关，导致PAK6上调，影响RAS/MAPK通路和线粒体功能。线粒体内膜酶二氢乳清酸脱氢酶（DHODH）抑制可破坏氨基酸代谢和氧化还原系统，抑制CML细胞生长。
6. 靶向线粒体的治疗策略
6.1. 常规靶向策略
直接靶向肿瘤细胞赖以生存的必需线粒体功能。如电子传递链复合体I抑制剂IACS-010759靶向OXPHOS依赖性肿瘤细胞；突变IDH2抑制剂enasidenib诱导分化；BCL-2抑制剂venetoclax靶向抗凋亡蛋白；HK-II抑制剂3-溴丙酮酸（3-BP）可逆转耐药性。
6.2. 耐药性与联合治疗策略
针对耐药细胞的特定线粒体脆弱性。如IACS-010759与ibrutinib或venetoclax联用，可协同杀伤耐药细胞。在多发性骨髓瘤（MM）中，谷氨酰胺酶抑制剂CB-839与蛋白酶体抑制剂联用，可干扰耐药细胞重编程的代谢状态。
7. 结论与展望
线粒体在生理造血和血液肿瘤中扮演着双重角色，其代谢重编程是肿瘤的重要特征。靶向线粒体代谢为血液肿瘤治疗提供了新策略。未来研究应着重于理解代谢异质性和可塑性、开发靶向线粒体转移机制的新策略、加速特异性药物递送系统开发、以及基于代谢生物标志物重新利用现有药物（如二甲双胍），以克服当前临床转化面临的挑战。
