熊   伟1，2（综述）/谭德勇1，*（审校）

(1. 云南大学生命科学院生物化学与分子生物学实验室，云南   昆明   650031；2. 大理学院基础医学院生物化学与分子生物学教研室，云南   大理   671000)

【摘要】 肿瘤细胞中糖酵解途径的增强主要是由于氧化磷酸化功能不可逆转的损伤所导致的（Warburg效应），不同类型的肿瘤细胞中导致氧化磷酸化代谢途径损伤的机制以及主要依赖的能量代谢途径（糖酵解和氧化磷酸化）各不相同，应通过大量实验研究来进一步评价不同类型肿瘤细胞中线粒体的氧化磷酸化能力。在本文中综述了近年来关于各种不同类型肿瘤细胞中导致氧化磷酸化代谢途径受损的可能机制的研究新进展，以期为进一步研究线粒体氧化磷酸化代谢途径受损在致癌进程中可能发挥的作用提供参考资料。

【关键词】  肿瘤细胞；线粒体; 氧化磷酸化； 能量代谢

  中图分类号：R73-34     文献标识码： A     文章编号： 1004-616X(2011)02-0152-03     doi: 10.3969/j.issn.1004-616x.2011.02.017

细胞主要以三磷酸腺苷(adenosine triphosphate, ATP)的方式产生化学能，这些分子是细胞维持各种生理功能必需的重要物质。ATP是细胞内含有高能磷酸键的化合物，是细胞内能够直接利用的能源，它主要通过胞液的糖酵解(glycolysis, Gly)和线粒体的氧化磷酸化(oxidative phosphorylation, OxPhos) 产生。

上世纪初，Nobel奖获得者德国生物化学家Warburg首次报道,与正常细胞相比,肿瘤细胞即使在供氧充足的条件下也仍然以糖酵解作为产能的主要方式。而且，Warburg认为这种现象是细胞恶变过程中最为基础的代谢改变之一，肿瘤细胞的这种现象被称为Warburg效应。Warburg同时指出肿瘤细胞中糖酵解的增强是由于肿瘤细胞线粒体功能不可逆转的损伤所导致的。Warburg效应在大多数恶性肿瘤细胞中的确存在,目前认为造成Warburg效应的原因包括线粒体功能缺陷、低氧、肿瘤基因信号以及某些代谢酶的异常表达，其中肿瘤细胞线粒体功能缺陷被认为是造成Warburg效应的主要原因，由于1分子葡萄糖通过有氧代谢途径净生成38分子ATP,而1分子葡萄糖经过糖酵解途径净生成2分子ATP,因此,线粒体呼吸链功能的破坏将促使细胞通过糖酵解产能以维持正常的细胞功能。不同类型的肿瘤细胞主要依赖的能量代谢途径各不相同，但几乎所有肿瘤细胞中线粒体的氧化磷酸化功能均受到不同程度的损伤，近年来研究发现造成其线粒体的氧化磷酸化代谢功能受损的遗传与生化机制也不相同(表1)，具体机制仍有待于进一步深入研究与归纳。本文对肿瘤细胞中线粒体的氧化磷酸化代谢功能损伤的一些可能的遗传与生化机制综述如下。

1  肿瘤细胞线粒体数量的减少和呼吸链功能的缺陷

早在1978年，Pederson[2]提出在肿瘤细胞中分离的线粒体与正常细胞中的线粒体具有同样的呼吸效率，肿瘤细胞中氧化磷酸化的下降是由于细胞中线粒体数量比正常细胞中少(通常少20%~50%)，这一结论扩展了Warburg于1956年提出的学说：即肿瘤细胞中糖酵解途径的加强，正是由于肿瘤细胞中线粒体呼吸链受损的结果，肿瘤细胞中线粒体的数量低似乎暗示着在肿瘤细胞中线粒体有更加活跃的降解机制。但是，在Morris 16和Morris 7800肝细胞瘤中，线粒体数目与正常肝细胞中是相同的。

在一些肿瘤细胞中发现线粒体呼吸链成分有明显的缺失(如铁硫蛋白，NADH-细胞色素C还原酶，琥珀酸脱氢酶和细胞色素C氧化酶)，然而，在良性脑瘤细胞中，NADH-细胞色素C还原酶的活性增加了2~5倍。另外，在一些肝细胞瘤中分离的线粒体中，腺嘌呤核苷酸转移酶(adenine nucleotide translocase, ANT)的活性比正常肝脏细胞中线粒体ANT活性低5.4倍，与之相对的是，在SV40转化的成纤维细胞中，ANT1和ANT2检测到的mRNA水平增加了8倍 [3]。在人的肝细胞瘤中，线粒体ATP合酶的合成和水解活性以及亲和性与正常人肝细胞相比，降低了50%~70%。但是，在Morri 3924A、9618A和7800肝细胞瘤以及Novikoff肝细胞瘤中，检测到的线粒体氧化酶的活性与正常细胞相比无显著的差异[4]。

2  Crabtree效应

Crabtree效应即肿瘤细胞糖酵解的增强抑制线粒体的氧化磷酸化的现象。在快速生长的肿瘤细胞和正常增殖的细胞中，添加葡萄糖和其他己糖会导致线粒体氧化磷酸化途径受到部分抑制[5]。在大鼠肝细胞瘤AS-30D培养过程中添加葡萄糖后，糖酵解途径增强，而ATP和无机磷酸盐(inorganic phosphate，Pi)的含量下降，胞液的pH值从7.2降至 6.8，此外，细胞中磷酸己糖(6-磷酸葡萄糖，6-磷酸果糖，1，6-二磷酸果糖)的浓度大幅度增加[6]。细胞中ATP、Pi和磷酸己糖的变化显示细胞中激活的糖酵解途径产生的ATP超过了线粒体产生的ATP，细胞中Pi的降低是线粒体活性下降的限制因素。同样，由于乳酸产生导致pH下降会影响细胞中对pH敏感的氧化酶类，如α-酮戊二酸脱氢酶复合体和细胞色素bc1复合体的活性。

3  肿瘤细胞中线粒体DNA的高突变率使其对氧协迫的敏感性增加

造成线粒体DNA(mitochondrial DNA, mtDNA)高突变率的原因主要有以下几个方面: ①在线粒体结构中, mtDNA与细胞内活性氧(reactive oxygen species, ROS)产生位点在物理位置上非常接近; ②由于线粒体DNA缺乏组蛋白的保护，使得线粒体更容易受到细胞内自由基的影响; ③与细胞核DNA相比，线粒体的DNA修复能力很弱。由于线粒体基因组负责编码13种重要的呼吸链蛋白质,如复合体I(7个亚基：ND1-ND6和ND4L)，复合体II(细胞色素b亚基)和复合体III(3个亚基：COXI，COXII和COXIII)以及ATP合酶(2个亚基：ATPase6和ATPase8)，所以, mtDNA的突变很可能影响到这些重要蛋白质的合成及破坏，而增加的活性氧胁迫在肿瘤细胞中会导致线粒体基因在转录和翻译水平的下降[7]。在乳腺肿瘤和其他一些人类肿瘤中，发现其线粒体DNA有较高的突变率，可能这是导致肿瘤细胞线粒体功能损伤的一个原因，尽管其中只有很少的DNA突变具有病理意义。

甲状腺嗜酸细胞瘤线粒体DNA突变(ND1和细胞色素b的非保守亚基)导致线粒体复合体I和复合体III的活性下降，降低了细胞的呼吸效率和ATP含量，导致高水平活性氧(ROS)的产生[8]。另一方面，在人的肾癌细胞中，发现mtDNA的突变率较低，显示在这一类型的肿瘤细胞中，线粒体需氧的能量代谢效率主要是通过细胞核进行调节[9]。

4  肿瘤细胞线粒体丙酮酸氧化效率降低

已有报道指出[10]，在AS-30D和Ehrlich肝细胞瘤中，线粒体中大量的丙酮酸通过E1-丙酮酸脱氢酶(E1-pyruvate dehydrogenase，E1-PDH)以一种“非氧化”反应方式脱羧成乙醛 (假定肿瘤细胞线粒体处于低氧的微环境)，生成的乙醛与另一分子乙醛缩合产生3-羟基丁酮，后者竞争性抑制E1-PDH的活性(Ki=41 μmol/L).由于肿瘤细胞中非典型的醛脱氢酶异构体IV对底物较低的亲和力，导致肿瘤细胞中维持着高水平的乙醛浓度，肿瘤细胞的丙酮酸脱氢酶能被0.5~1 mmol/L AMP激活，而正常细胞的PDH则不会。在AS-30D细胞内AMP浓度为0.6~3.3 mmol/L，但尚无实验数据显示线粒体内的AMP浓度由AMP激活的PDH导致丙酮酸脱羧的加强，形成3-羟基丁酮的积累，后者通过产物抑制的形式影响PDH酶的活性，是肿瘤细胞中PDH的调节机制。

虽然丙酮酸刺激的线粒体中, 3-羟基丁酮能抑制CO2的产生，然而，仍然需要实验证明由于3-羟基丁酮抑制引起的PDH降低，是否会真的影响到肿瘤细胞中的氧化磷酸化活性，因为在肿瘤细胞中活跃的谷氨酰胺氧化，可能对3-羟基丁醛的抑制作用并不敏感。

另一方面，与正常肝细胞线粒体丙酮酸转运体[Vmax=20 nmol/ (min·mg protein), Km=0.64 mmol/L]相比，从Morris 44和3924A肝细胞瘤中分离到的线粒体丙酮酸转运体的速率略低[Vmax=5~12 nmol/(min·mg protein)],并对丙酮酸有较低的亲和力(Km=0.74~1.1 mmol/L)。在Ehrlich肝细胞瘤丙酮酸利用率与正常肝细胞线粒体基本一致[10]。如此微小的差异使得肿瘤细胞丙酮酸转运体活性下降导致氧化磷酸化水平的降低仍存在质疑。

5  肿瘤细胞线粒体NADH转运率降低和三羧酸循环被抑制

在一些类型的肿瘤细胞中，线粒体膜苹果酸-天冬氨酸穿梭以及α-磷酸甘油穿梭转运体的活性也是降低的，从而阻止了还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(reduced nicotinamide adenine dinucleotide，NADH)从胞液进入到线粒体的效率，结果胞液中高含量的NADH会加速乳酸脱氢酶(lactate dehydrogenase，LDH)的活性，从而导致糖酵解的增强。然而，也有研究指出，在Ehrlich肝细胞瘤中，还原物从胞液进入到线粒体的速率与正常肝细胞中的转运速率是基本一致的，其分别为2.78和2.61 μmol / (min·g protein) [11]。

Parlo等[12]提出在一些肿瘤细胞中之所以有较高的糖酵解活性，可能是由于肿瘤细胞线粒体在三羧酸循环水平上的功能被抑制导致，肿瘤细胞线粒体中产生较少的还原物为呼吸链所用，从而导致氧化磷酸化水平的降低，他们还检测到在Morris 3924A肝细胞瘤中，丙酮酸产生的柠檬酸优先从肿瘤细胞线粒体中逐出(比正常肝细胞线粒体快4倍)，在细胞质中，柠檬酸能刺激胆固醇，甘油三脂和磷脂的合成，但并不会抑制肿瘤细胞的糖酵解，由于肿瘤细胞中对柠檬酸不敏感的PFK-1异构体是过表达的。

然而Dietzen 等[13]的研究对肿瘤细胞中三羧酸循环被抑制这一假说提出了挑战，这些作者测定了AS-30D细胞和线粒体内丙酮酸、苹果酸、柠檬酸、乙酰乙酸和乙酸脱羧的速率，他们发现与正常细胞和线粒体内脱羧速率是基本一致的，这一结果显示至少在AS-30D肝细胞瘤中，三羧酸循环的途径并没有被削弱。事实上在AS-30D肝细胞线粒体中，所有三羧酸循环所涉及的酶的活性与正常肝细胞线粒体内酶的活性要高出1~30倍。

延胡索酸水合酶(fumarate hydratase, FH)及琥珀酸脱氢酶(succinatedehydrogenase, SDH)是三羧酸循环所需的两种酶， 在线粒体ATP的生成过程中起着非常关键的作用，FH和SDH的突变与某些遗传性肿瘤疾病，如平滑肌瘤病、肾细胞瘤、嗜铬细胞瘤、神经节细胞瘤的发生具有一定的关联，但其确切的机制尚不清楚。Selak等[14]的研究证实，由于SDH是通过三羧酸循环和线粒体复合体Ⅱ电子转运体进行能量代谢的关键酶，该酶的突变或活性的降低将影响线粒体能量代谢，导致琥珀酸盐的积累和异常的HIF-1α激活。此外, Tretter等[15]发现ROS也能破坏线粒体代谢酶，从而导致三羧酸循环被抑制。

6  结  语

许多不同类型的肿瘤细胞通过以上所述的不同机制，导致线粒体代谢功能的下降，但是这些机制并不适用于所有不同类型的肿瘤细胞，不同类型的肿瘤细胞中糖酵解和氧化磷酸化两条能量代谢途径对细胞总ATP的贡献均存在差异。最后需要指出的是，由于缺乏大量的实验对每一类型肿瘤细胞能量代谢途径(糖酵解速率和氧化磷酸化速率)进行测定的数据支持，Warburg效应已成为肿瘤细胞中能量代谢的一个中心法则[16]。考虑到不同类型的肿瘤细胞具有不同的遗传背景，每一种不同类型的肿瘤细胞都应该通过大量实验研究来评价其氧化磷酸化能力对细胞能量需求的贡献，从而揭示线粒体氧化磷酸化代谢途径受损在致癌进程中可能发挥的作用。

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收稿日期： 2010-06-12； 修订日期：2010-10-05

基金项目： 国家自然科学基金（30760057，30960091），云南省科技计划项目（2008CC003）

作者简介： 熊  伟（1982-  ），男，湖南株洲人，硕士，讲师，研究方向 ：肿瘤细胞周期调控。

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