《Seminars in Cancer Biology》：Mitochondria in sarcoma and carcinoma: Achilles’ heel or Hercules’ strength?
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这篇综述系统探讨了线粒体在两种主要实体瘤（癌与肉瘤）中的双重角色。作者认为，尽管两者在流行病学和起源上差异显著，但都深刻依赖线粒体的代谢重编程、细胞死亡调控和癌症干细胞维持功能。文章挑战了线粒体功能普遍受损的传统观点，强调其在肿瘤中的结构功能活性和适应性重连（如TCA循环、氧化磷酸化、谷氨酰胺分解），并指出靶向线粒体通路（包括针对mtDNA编码蛋白、CSCs）具有重要的治疗潜力，尽管面临代谢可塑性和临床转化的挑战。
线粒体在肿瘤细胞生物能量学与代谢中的作用
线粒体在生物合成和代谢中扮演着关键角色。历史上，癌症代谢主要通过瓦博格效应（Warburg effect）的视角来解读，即肿瘤细胞即使在有氧条件下也优先依赖有氧糖酵解而非氧化磷酸化（OXPHOS）来产生能量。这一发现最初被理解为线粒体呼吸功能缺陷的证据。然而，后续研究表明，有氧糖酵解是支持癌细胞生物合成和氧化还原需求的代谢适应，而非不可逆的线粒体功能障碍的结果。事实上，在大多数肿瘤中，线粒体在结构和功能上仍然保持活性，并直接参与肿瘤发生和代谢灵活性。癌细胞动态地重编程线粒体通路以适应营养可用性和环境压力。此外，肿瘤细胞利用线粒体步骤进行脂肪酸、核苷酸和氨基酸的生物合成。
TCA循环
癌细胞表现出显著的代谢可塑性，TCA循环是这种适应性的核心枢纽。线粒体TCA循环通常被选择性重连，以满足肿瘤生长的生物合成和氧化还原需求。TCA循环酶，如柠檬酸合酶（CS）、顺乌头酸酶2（ACO2）、异柠檬酸脱氢酶2（IDH2）、琥珀酸脱氢酶（SDH）、延胡索酸水合酶和苹果酸脱氢酶2（MDH2），由于突变、转录变化或翻译后修饰而在癌症中反复改变，导致代谢流在特定情境下重编程。在肺癌中，野生型IDH2在缺氧条件下因HIF1α过表达而上调，α-酮戊二酸（α-KG）表达减少并稳定HIF1α，从而有利于糖酵解代谢。在前列腺癌中，MDH2过表达促进NADH产生和TCA循环。在结肠癌细胞中，药物抑制MDH2会减少NADH和ATP产生，改变细胞内氧气，并激活AMPK，从而抑制细胞增殖。IDH2突变将α-KG转化为2-羟基戊二酸（2-HG），后者抑制α-KG依赖性双加氧酶和组蛋白去甲基化酶，导致软骨肉瘤和不同癌细胞类型的分化阻滞。SDH亚基的种系突变与Carney-Stratakis综合征和胃肠道间质瘤风险增加相关。SDH缺陷导致琥珀酸积累，抑制α-KG依赖性双加氧酶，并引发伪缺氧信号。
氧化磷酸化
癌细胞通常单独或联合有氧糖酵解依赖OXPHOS产生ATP。在胰腺导管腺癌中，OXPHOS活性在肿瘤样本中高度异质，线粒体呼吸增强的亚群表现出增殖增加和化疗耐药性。在肉瘤中，平滑肌肉瘤的OXPHOS活性高于未分化多形性肉瘤。在吉田肉瘤中，缺氧条件下线粒体IF1的上调限制了ATP水解并保持了膜电位，从而在缺氧期间实现存活。相反，mtDNA耗竭会损害OXPHOS，并通过代偿性糖酵解转换和上皮-间质转化（EMT）诱导促进肉瘤进展。
谷氨酰胺分解
谷氨酰胺分解是主要的线粒体回补途径，可用于说明肿瘤特异性的代谢灵活性。在高度依赖谷氨酰胺的胶质母细胞瘤细胞中，沉默谷氨酰胺酶（GLS）会导致向丙酮酸羧化酶依赖性回补反应的转变，以满足能量需求。在软组织肉瘤中，谷氨酰胺代谢常作为关键的生物能量驱动因素。抑制谷氨酰胺摄取或GLS可降低肉瘤细胞增殖。
脂质代谢途径
线粒体在脂质代谢以及肿瘤细胞响应缺氧和氧化应激而重编程脂肪酸处理方面起主要作用。在缺氧条件下，由于氧气短缺，脂肪酸去饱和作用下调。因此，外源不饱和脂肪酸的摄取增加，而脂肪酸氧化（FAO）减少以满足能量需求。这可能导致甘油三酯生物合成和脂质储存增加，作为一种适应性生存策略。在纤维肉瘤细胞中，选择性消耗膜中的多不饱和脂肪酸可限制铁死亡敏感性。此外，依赖于线粒体乙酰辅酶A可用性的胆固醇生物合成增强支持肿瘤生长和进展。某些肉瘤类型表现出对FAO的明显依赖性。例如，恶性外周神经鞘瘤（MPNST）依赖线粒体FAO产生能量，FAO抑制会降低肿瘤细胞存活率。在携带PAX3-FKHR融合的肺泡横纹肌肉瘤中，肉碱棕榈酰转移酶1（CPT1）上调，增加FAO并促进迁移和转移。CPT1表达升高也在不同的癌类型中有报道，包括乳腺癌、前列腺癌、肺癌、结肠癌、卵巢癌和胃癌。此外，肿瘤细胞与微环境之间的代谢串扰说明了适应性线粒体灵活性：在卵巢癌细胞和脂肪细胞的共培养中，脂肪细胞脂肪分解为癌细胞中的线粒体β-氧化提供燃料，支持转移。
支链氨基酸
支链氨基酸（BCAA）是必需营养素，也参与许多癌症类型的代谢重编程。BCAA代谢的改变可能促进癌症进展、癌症干细胞（CSC）自我更新和耐药性。例如，线粒体支链氨基酸转氨酶2（BCAT2）在骨肉瘤活检中上调。在这些肿瘤中，BCAA被用作维持其生长的能量资源。
糖异生和酮体
糖异生始于线粒体，通过丙酮酸羧化形成草酰乙酸。线粒体磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（PCK2）在谷氨酰胺剥夺和内质网应激条件下，通过参与从TCA循环到有氧糖酵解的代谢重编程，在乳腺癌细胞存活中具有独特作用。此外，PCK2基因敲低诱导衰老并抑制乳腺癌细胞中的EMT。PCK2上调和随之而来的代谢转换与前列腺癌细胞的侵袭性和较低生存率相关。在有氧糖酵解过程中，线粒体产生酮体，可被癌细胞用作燃料。一项基于乳腺癌细胞异种移植的研究表明，向荷瘤小鼠施用酮体会增加肿瘤生长和转移形成。3-氧代酸辅酶A转移酶1（OXCT1）是一种限速酶，催化酮体代谢的第一阶段，与不同癌症类型的发展有关。
其他代谢途径
其他线粒体代谢物也在肿瘤微环境中充当信号介质。例如，线粒体甲基丙二酸，在丙酸代谢过程中产生，在老年人和侵袭性癌细胞中增加。与黑色素瘤和肺癌细胞分泌的甲基丙二酸孵育后，成纤维细胞表现出癌症相关成纤维细胞分泌表型，促进侵袭性。这种癌代谢物通过抑制线粒体琥珀酸脱氢酶产生的活性氧（ROS）激活成纤维细胞。相反，线粒体甲基丙二酰辅酶A变位酶突变导致甲基丙二酸浓度增加，损害线粒体代谢并诱导线粒体自噬，导致细胞损伤。氨甲酰磷酸合成酶1（CPS1）是一种受AMPK-LKB1轴调节的线粒体尿素循环酶，通过增强嘧啶生物合成促进非小细胞肺癌（NSCLC）生长。卵巢癌细胞对线粒体谷氨酰胺代谢的依赖性增强。在此肿瘤中，谷氨酰胺酶和TCA酶表达增加与不良生存率相关。增强的线粒体谷氨酰胺通量支持嘌呤生物合成，增强了增殖和疾病侵袭性。
线粒体DNA编码蛋白在肿瘤发生中的作用
线粒体DNA编码13种对电子传递链（ETC）至关重要的蛋白质，以及翻译所需的22种tRNA和2种rRNA。在肿瘤细胞中，mtDNA改变（突变、差异表达、拷贝数变化）可破坏线粒体生物能量学和信号传导，导致代谢重编程、增殖增强、治疗耐药性和转移潜力增加。除了这些经典的与能量相关的蛋白质，mtDNA还编码调节分子，如线粒体tRNA合成酶、长链非编码RNA和小肽，这些调节分子调控肿瘤细胞存活、迁移和EMT。
ETC复合物I亚基MT-ND1的突变与肝细胞癌和结直肠癌的进展有关。有趣的是，一些MT-ND1变体，如破坏复合物I活性的m.3571insC突变，据报道可降低小鼠模型中骨肉瘤和甲状腺癌细胞的增殖和转移。这表明mtDNA改变对肿瘤发生具有情境依赖性效应。同样，MT-ND2突变与肺癌细胞系中的顺铂耐药性以及头颈部鳞状细胞癌细胞中ROS介导的增殖增加有关。MT-ND3的单核苷酸多态性与更高的胃癌风险相关，而MT-ND4和MT-ND5的改变有助于线粒体功能障碍和肝细胞癌的发展。MT-ND6突变增强ROS产生，从而增加乳腺癌和肺癌细胞的转移潜力。
除了ETC亚基，mtDNA编码的tRNA合成酶和非编码RNA也与肿瘤发生有关。例如，线粒体谷氨酰-tRNA合成酶2与突变的PALB2（一种BRCA2相互作用蛋白）共表达，增加了乳腺癌和潜在胰腺癌的风险。线粒体酪氨酰-tRNA合成酶2在结肠癌标本中上调，其敲低可降低ATP合成以及癌细胞系中的增殖和迁移，而线粒体亮氨酰-tRNA合成酶2在鼻咽癌中下调并表观遗传沉默。同样，线粒体编码的长链非编码RNA MT-LIPCAR促进肝细胞癌细胞中的增殖、迁移和EMT。MT-RNR1突变与肝细胞癌患者转移风险增加和生存率降低有关。此外，MT-ND1、MT-ND6、MT-CO1、MT-CYB、MT-ATP6和MT-RNR1的表达在III–IV期结直肠癌中相对于早期阶段升高，而在前列腺癌标本中，MT-RNR1、MT-ATP6和MT-CO1相对于正常组织降低。
人源性多肽（humanin）是一种源自mtDNA的小肽，在三阴性乳腺癌和相应的鼠标模型中表达，促进肿瘤细胞存活。它还在垂体肿瘤细胞中表现出抗凋亡活性，但可以抑制肺癌的增殖。在肉瘤中也观察到线粒体基因组的改变。与年龄匹配的健康对照相比，尤文氏肉瘤患者循环中细胞游离mtDNA拷贝数减少，表明它可能是该肿瘤类型中线粒体功能障碍的候选生物标志物。
线粒体在细胞死亡中的作用
肉瘤细胞死亡
在肉瘤中，致癌融合蛋白和应激信号通路通过调节BCL2家族蛋白、线粒体外膜通透性和胱天蛋白酶激活，汇集于线粒体凋亡机制。例如，滑膜肉瘤中BCL2表达增加，由SS18-SSX2融合蛋白驱动，抑制线粒体外膜通透性并赋予化疗耐药性。相反，在尤文氏肉瘤中，PARP的药理抑制通过下调MCL-1和激活促凋亡蛋白BAX和BAK来恢复线粒体凋亡，导致胱天蛋白酶依赖性细胞死亡。类似的基础线粒体机制是HDAC抑制剂ITF2357促凋亡活性的基础，它独立于p53诱导线粒体凋亡。
致癌融合蛋白可以通过转录网络间接调节线粒体凋亡。在尤文氏肉瘤中，膀胱癌相关蛋白通过下调EWS-FLI1和BCL2并激活胱天蛋白酶3和7来促进凋亡。相反，EWS-FLI1驱动的SOX2上调通过PARP激活和PI3K/Akt信号传导抑制线粒体和外源性凋亡，从而促进细胞存活。这些相反效应说明了肉瘤相关癌基因如何重编程线粒体检查点，而不是简单地激活或抑制凋亡。
线粒体也处于凋亡和自噬之间的交界处。p19ARF的交替剪接线粒体亚型（smARF）定位于线粒体，诱导膜去极化并在致癌基因激活后触发自噬依赖性细胞死亡。在尤文氏肉瘤细胞中，TNF-α信号传导可根据线粒体ROS水平和NF-κB活性诱导自噬或凋亡。当NF-κB被抑制时，TNF-α促进ROS积累、beclin-1表达、自噬泡形成和凋亡。因此，线粒体氧化还原平衡决定了炎症信号是促进细胞存活还是死亡。
最后，氧化还原代谢的线粒体控制也影响对铁死亡的敏感性。在携带RAS突变的横纹肌肉瘤细胞中，对铁死亡的抵抗反映了改变的线粒体氧化还原处理和脂质代谢。
癌细胞死亡
在癌中，线粒体膜完整性和氧化还原信号控制多种细胞死亡方式的执行。线粒体脂质调节细胞色素c释放和线粒体凋亡。调节剂（如褪黑素）通过靶向线粒体ROS、BAX/BCL2平衡和膜通透性，使癌细胞对治疗重新敏感。
线粒体ROS是化疗诱导凋亡的关键上游信号。在卵巢癌中，顺铂敏感性与更高的线粒体含量和升高的线粒体ROS产生相关，后者是激活促凋亡蛋白BAX和BAK所必需的。通过PGC1α或TFAM敲低减少线粒体生物发生可降低ROS并抑制凋亡，而UCP2沉默恢复线粒体ROS并重新诱导细胞死亡。这些数据表明，线粒体氧化信号而非单独的DNA损伤决定了治疗反应。
与肉瘤类似，线粒体也调节癌中凋亡、自噬和铁死亡之间的平衡。Beclin-1介导的线粒体自噬在乳腺癌和卵巢癌中充当肿瘤抑制机制。在黑色素瘤中，抑制线粒体复合物I诱导膜去极化、脂质过氧化、ROS积累和谷胱甘肽耗竭，导致线粒体自噬和坏死/铁死亡。铁死亡通过谷胱甘肽可用性和TCA循环酶（如延胡索酸水合酶）与线粒体代谢紧密相连。
线粒体代谢重编程也调控衰老和生长停滞。CPT1是线粒体β-氧化的调节剂，通过代谢转换而非凋亡在胰腺癌细胞中诱导衰老，进一步强调线粒体作为主要的肿瘤细胞命运调节剂。
线粒体作为抑制癌症干细胞（CSCs）的靶点
线粒体是CSC维持、代谢可塑性、氧化还原稳态和治疗耐药性的核心调节剂。CSCs依赖线粒体氧化代谢来维持ATP产生、生物合成途径和抗氧化防御。因此，线粒体功能代表了该亚群的关键脆弱性和有吸引力的治疗靶点，以选择性损害CSC存活并克服治疗耐药性。
例如，光毒性抗肿瘤剂通过产生ROS和改变线粒体膜通透性来靶向侵袭性和治疗耐药的横纹肌肉瘤干细胞，从而损害CSC功能并促进凋亡。同样，在黑色素瘤和乳腺癌CSCs中过表达microRNA-1，通过下调在维持线粒体内膜完整性中起关键作用的基因，诱导线粒体自噬。有趣的是，这种效应似乎对CSCs具有选择性，因为microRNA-1过表达不影响非干细胞癌细胞中的线粒体。
CSC群体，无论是在肉瘤还是癌中，通常表现出高ALDH1活性，这与增强的线粒体代谢、增加的化疗耐药性和抗氧化应激保护相关。相反，一些研究报告了特定CSC模型中线粒体数量减少。这些看似矛盾的观察结果汇聚于一个概念：CSC存活依赖于线粒体质量和代谢灵活性，而不是绝对的线粒体质量。这种功能依赖性使得线粒体稳态成为可治疗的脆弱性。重要的是，ALDH活性是药物可靶向的。双硫仑和相关的ALDH抑制剂通过诱导ROS依赖性线粒体去极化，选择性根除表达ALDH的CSCs，从而恢复乳腺癌和肺癌模型中的化学敏感性。因此，ALDH1代表了功能性的线粒体治疗靶点，而不仅仅是CSC标志物。
在可能的药物干预中，二甲双胍（一种线粒体复合物I抑制剂）获得了关注，因为它可以使CSCs对化疗敏感。在尤文氏肉瘤干细胞中，二甲双胍通过降低线粒体膜电位、减少ATP产生、增加ROS水平和激活AMPK（一种触发凋亡信号的关键能量传感器）来逆转耐药性。临床前研究支持二甲双胍在各种癌症类型中的抗肿瘤作用，尽管其作为独立或辅助治疗的临床益处仍在研究中。重要的是，二甲双胍可能通过调节缺氧肿瘤微环境和改变线粒体代谢来改善对免疫检查点抑制剂的反应。
线粒体自噬（选择性清除受损线粒体）通过保持代谢适应性和氧化还原平衡，在CSC维持中也起着核心作用。增强的线粒体自噬支持CSC自我更新、致瘤性和治疗耐药性。对线粒体自噬调节剂（如PINK1、parkin、DRP1或ULK1）的遗传或药理学抑制在CSCs中诱导线粒体功能障碍、干性丧失和凋亡。这表明，过度的线粒体损伤和无法清除功能失调的线粒体都可以被利用来消除CSCs。
靶向癌症中的线粒体代谢：临床试验与挑战
靶向线粒体代谢已成为肿瘤学中的一种新治疗策略。几种靶向线粒体的药物已进入临床试验。然而，尽管临床前数据令人鼓舞，但由于毒性问题以及线粒体在癌细胞和免疫细胞中的代谢可塑性和复杂作用，将这些疗法转化为临床成功已被证明具有挑战性。
CPI-613是一种硫辛酸类似物，通过抑制TCA循环中的酶来破坏线粒体能量代谢。在一项针对小细胞肺癌患者的I期试验中，CPI-613联合拓扑替康改善了患者生存期。另一项I期临床试验在复发/难治性急性髓系白血病或晚期实体瘤患者中测试了IACS-010759（一种非常强的线粒体复合物I抑制剂）。尽管有一定活性，但由于剂量限制性毒性（如神经毒性和乳酸酸中毒），试验被终止，凸显了靶向线粒体呼吸的主要局限性。一项I期研究表明，阿托伐醌（一种重新用作复合物III抑制剂的抗疟药）在非小细胞肺癌患者中表现出缓解缺氧和抗肿瘤作用。另一种有前景的药物ONC201，以前用作D2多巴胺受体拮抗剂，激活线粒体酪蛋白分解蛋白酶P并损害线粒体功能，诱导凋亡。在针对H3K27M突变胶质瘤患者的I期试验中，ONC201显示出良好的耐受性和临床疗效，无神经毒性。
尽管最初热情高涨，但二甲双胍（一种广泛使用的具有线粒体复合物I抑制作用的抗糖尿病药物）产生了混合结果。流行病学数据不支持二甲双胍对糖尿病患者具有抗癌保护作用。一项II期试验表明，二甲双胍可以改善卵巢癌患者的总生存期。然而，一项纳入超过3600名乳腺癌患者的III期试验未发现对无病生存期有任何显著影响。其有限的疗效可能是由于癌细胞的代谢灵活性，可以利用肿瘤微环境中的其他资源来绕过线粒体抑制。
靶向线粒体疗法的一个主要障碍是选择性肿瘤靶向。例如，二甲双胍抑制肿瘤和非肿瘤细胞中的线粒体代谢，引起了关于脱靶效应的担忧。然而，选择性靶向已在特定谱系中得到证明，例如髓源性肿瘤细胞。此外，患者特异性因素，包括遗传突变，可能决定他们对线粒体破坏的敏感性。在BRCA突变癌症中，DNA修复受损使这些肿瘤更容易受到复合物I抑制引起的ATP耗竭的影响。这表明精准医学方法可以优化靶向线粒体的疗法。另一个复杂性层面来自线粒体代谢与免疫微环境之间的相互作用。这种联系为癌症研究领域打开了新窗口。肿瘤细胞中的线粒体功能障碍可以调节免疫细胞活化，特别是通过影响T细胞和自然杀伤细胞功能。例如，线粒体ROS积累会损害超氧化物歧化酶2活性，导致T细胞耗竭。相反，用拮抗剂靶向谷氨酰胺可能会增强小鼠癌症模型中的抗癌免疫力。这归因于在谷氨酰胺剥夺条件下，细胞毒性T细胞中观察到线粒体代谢升高。肿瘤微环境中免疫细胞类型之间的线粒体异质性进一步使治疗靶向复杂化。
临床试验主要集中在于抑制线粒体代谢以损害肿瘤生长。然而，越来越多的证据表明，肿瘤细胞群体内的线粒体异质性和适应性代谢重编程可以影响治疗结果，为耐药克隆的出现提供了潜在的基质。因此，理解这些适应机制对于解释试验结果和设计有效靶向治疗耐药亚群的策略至关重要。
新兴证据表明，线粒体适应和代谢异质性不仅与不同癌症类型中的克隆进化和治疗耐药相关，而且还是其积极的贡献者。在黑色素瘤中，MAPK通路抑制剂诱导代谢向增加OXPHOS的转变，耐药亚群维持更高的线粒体呼吸，支持在靶向治疗下的存活。抑制线粒体呼吸可以使这些耐药细胞敏感，说明了癌中依赖于线粒体的耐药机制。类似地，侵袭性黑色素瘤的代谢组学和蛋白质组学研究揭示，对治疗反应不佳的肿瘤中OXPHOS成分和线粒体翻译通路上调，进一步暗示线粒体代谢状态在耐药表型中的作用。在肉瘤模型的临床前研究中，使用IACS-010759对线粒体复合物I进行药理学抑制，通过破坏代谢灵活性、增加ROS产生、损害DNA修复和减少干性，增强了放疗的疗效。这表明线粒体适应有助于肉瘤患者的存活和治疗逃逸。更广泛地说，关于线粒体药物耐药机制的综述强调，线粒体代谢的动态变化，包括糖酵解和OXPHOS之间的转换、ROS调节和线粒体动力学的改变，提供了生物能量和氧化还原灵活性，使耐药克隆在治疗压力下出现和扩展。这些发现共同强化了这样一种观点：线粒体异质性和适应性代谢重编程是克隆选择和治疗耐药的机制驱动因素，强调了在制定克服癌和肉瘤耐药策略时考虑线粒体状态的必要性。
线粒体代谢重编程、生物发生、动力学和氧化还原平衡机制是治疗耐药癌细胞的常见特征，代表了克服克隆进化驱动的治疗失败的有前景但复杂的目标。
