王凌霄，王颖佳，杨健，李耀平

0 引言

线粒体DNA（mt-DNA）是一个由37个基因、16569个碱基对（bp）组成的双链闭合环状DNA分子[1]。它包括13个参与呼吸作用和氧化磷酸化的多肽基因、2个rRNA和22个参与线粒体中合成蛋白质的tRNAs组成的编码区，以及1个称为D-loop的非编码区，又称为控制区，包含复制起点和转录启动子[2]。

线粒体是重要的细胞器之一，负责能量的代谢，参与信号转导、细胞死亡、炎性反应、免疫反应和细胞分化等[3-4]，同时在活性氧（reactive oxygen species，ROS）的产生和细胞凋亡的调控中起关键作用，这些因素均参与到mt-DNA突变并导致氧化磷酸化（oxidative phosphorylation,OXPHOS）效率降低和ROS生成增加[5]。线粒体由于其基本的生物能量和生物合成功能，对细胞稳态和健康起着至关重要的作用。mt-DNA编码了线粒体功能的关键成分，这些突变均参与调节线粒体功能。其中，一些影响线粒体ROS生成的mt-DNA突变决定了细胞转移潜能[6-8]。虽然目前尚不清楚在恶性肿瘤组织中发现的mt-DNA突变是癌症发展的原因还是结果，但mt-DNA突变可能导致癌症发展是有意义的。此外，近期研究表明mt-DNA的有效载量以及完整的线粒体在细胞间发生转移对肿瘤起着重要作用[9]。然而，目前对mt-DNA在肿瘤恶性增殖过程中的作用机制尚不明确，进一步研究mt-DNA在恶性肿瘤中的作用机制对于发现新的癌症预测因子与治疗靶点以及改善患者愈后显得至关重要。本文旨在对mt-DNA在消化系恶性肿瘤的机制及临床转化应用进行详细阐述。

1 mt-DNA在食管癌中的研究

1.1 mt-DNA拷贝数变化与食管癌

通过研究mt-DNA拷贝数与食管癌的临床病理特征、预后和恶性潜能的相关性，发现癌组织的mt-DNA拷贝数显著低于非癌组织。切除的癌组织中低mt-DNA拷贝数与肿瘤浸润的病理深度和病理分期显著相关。与mt-DNA拷贝数较高的患者相比，拷贝数较低的患者5年总生存率明显较差。在mt-DNA耗竭的细胞中通过免疫组织化学实验发现，E-钙黏蛋白mRNA表达减少，而N-钙黏蛋白、波形蛋白、zeb-1和CD44 mRNA表达增加。Western blot和流式细胞术分析还显示，在mt-DNA耗竭的细胞中，E-钙黏蛋白下调，N-钙黏蛋白和CD44蛋白上调。此外，mt-DNA敲低细胞具有增强侵袭、迁移和球体形成能力，并且在这些细胞中诱导了G0/G1期细胞周期停滞。这些结果均表明，mt-DNA耗竭的食管细胞具有间充质特征、癌干细胞性和耐缺氧性，这在癌症进展中起重要作用[10]。最新研究也发现食管鳞状细胞癌（esophageal squamous carcinoma,ESCC）的肿瘤可能通过p53表达增加，影响mt-DNA拷贝数减少，并影响葡萄糖代谢转移的Warburg效应[11]，这进一步证明低mt-DNA拷贝数与食管癌进程的相关性。

1.2 mt-DNA突变与食管癌

通过检测食管癌细胞系和食管癌患者肿瘤组织中mt-DNA的突变，寻找蛋白质和核糖核酸编码基因突变与食管癌的关系。在三种食管癌细胞系中有39个突变；突变频率最高的基因包括线粒体编码的MT-CYB、MT-ND5和MT-ND4基因。在30个食管癌组织中共鉴定出216个突变，包括182个蛋白编码突变，其中MT-CYB和MT-ND5基因表现出较高的突变频率。研究结果表明，食管癌细胞中mt-DNA编码的基因突变可能参与食管癌的进程[12]。

2 mt-DNA在肝癌中的研究

2.1 mt-DNA相关编码基因与肝癌

在人类肝细胞癌（hepatocellular carcinoma,HCC）组织中，13个mt-DNA编码基因中的11个显示出降低的mRNA水平，5个基因显示出降低的蛋白质水平，包括细胞色素B（MT-CYB）和细胞色素C氧化酶Ⅱ（MT-CO2）基因。线粒体基因测序显示大量线粒体miRNAs水平异常，在过度表达MitomiR-181a-5p后，HCC细胞中的MT-CYB和MT-CO2水平降低，由电子传递链维持的线粒体膜电位降低，并伴随着己糖激酶2和葡萄糖转运蛋白1的表达上调，葡萄糖、乳酸释放和乳酸脱氢酶（LDH）活性升高。体内试验证实，MitomiR-181a-5p表达引起糖代谢重编程，促进肝癌肿瘤生长和早期肺转移[13]。这表明mt-DNA编码的相关基因，通过影响相关糖代谢的进程参与到癌症发生发展的进程，促进肿瘤的生长和侵袭。

2.2 mt-DNA突变与肝癌

早期研究表明，mt-DNA突变与HCC进展高度相关，HCC的不良预后很大程度上是由于mt-DNA突变导致的线粒体功能障碍从而诱发肿瘤的高转移率[14]。在目前的研究中，通过对HCC样本进行测序，确定了mt-DNA的多个突变，在这些突变中，线粒体编码的MT-RNR1 G709A被确定为新的潜在候选。MT-RNR1 G709A多态性是总生存率和无远处转移生存率的独立危险因素，且MT-RNR1 G709A与较短的总生存期和无远处转移生存期均相关。从机制上讲，MT-RNR1 G709A与己糖激酶2（HK2）的表达和HCC患者的不良预后明显相关。数据表明MT-RNR1 G709A和HK2共同表达增高是HCC患者的一个重要风险因素。这提示我们mt-DNA的突变可能影响着己糖激酶2的代谢从而与癌症的预后发展高度相关[15]。

分析HCC和癌旁组织的mt-DNA突变的差异表达。其中HCC组织的D-loop区域平均突变数明显少于非HCC组织。相比之下，HCC组织中D-loop区突变的异质水平显著增加，这意味着D-loop区突变可能在HCC组织中被积极选择。此外，结果表明，D-loop区突变患者的mt-DNA拷贝数明显较低，更有可能复发。体外实验证明，HCC细胞具有D-loop区的增殖、侵袭和转移能力突变明显高于没有D-loop区突变的人群。这些结果强调了mt-DNA D-loop区突变在HBV相关肝癌发生中的关键作用，且D-loop区突变通过影响mt-DNA拷贝数从而影响HCC细胞的增殖、侵袭和转移，在肝癌发生中起关键作用[16]。

2.3 mt-DNA测序与肝癌

将来自肝细胞癌患者和非癌症患者的血液用于mt-DNA测序，测序结果数据分析表明与HCC关联最密切的mt-DNA多态性位点分布于各线粒体基因组中，并影响所有线粒体基因。来自宿主血液中的mt-DNA基因变异体的异质性特征，有助于将特定突变与癌症相关联，从而帮助开发准确、快速和微创的癌症诊断检测[17]。

3 mt-DNA在胰腺癌中的研究

研究表明，在胰腺癌中，特定的mt-DNA单倍体突变或单核苷酸多态性均可能增加患病风险，大量mt-DNA突变可能支持侵袭性表型。因此，mt-DNA的表达可能代表着不良的预后因素。这些发现提示我们，mt-DNA的突变或者被耗竭均有可能促进着癌症的侵袭、转移[18]。但是由于目前关于胰腺癌的mt-DNA研究报道较少，尚未表明mt-DNA和胰腺癌有明确的关联性。

4 mt-DNA在胆囊癌中的研究

mt-DNA的D-loop区D310的插入/缺失在胆囊癌发病机制中是相对频繁和早期的事件[19]。实验证明，D310序列突变和其他mt-DNA变化可从消化系恶性肿瘤患者的血液样本中检测到，而在胆囊癌中发现有38%的D310序列突变，这可能是胆囊癌早期检测的潜在有用标记，特别是在血清生物标志物中，存在TP53突变、遗传不稳定性和基因异常甲基化[20]。这表明mt-DNA可能作为胆囊癌潜在的早期分子标志物，便于患者的早期筛查。

5 mt-DNA在胃癌中的研究

5.1 mt-DNA突变与胃癌

在胃癌中mt-DNA D环的突变主要是同源的，并且经常在嘧啶位点转变。过度激活的DNA修复功能可能会修复胃癌导致的mt-DNA损伤[21]。此外，D环区的突变有可能改变mt-DNA和细胞器本身的功能，编码基因的突变似乎也对胃癌的发生有影响——特别是ND1基因[22]和12S rRNA[23-24]的突变，12S rRNA可能与肠型胃癌的发生有关。根据mt-DNA突变位点的变化将胃癌进行分类，可运用于患者筛查和治疗管理的改变，以及建立更精确的分子标志物。因此，使用mt-DNA作为胃癌的肿瘤标志物，有希望在患者诊断和治疗中应用。

5.2 mt-DNA拷贝数与胃癌

mt-DNA拷贝数和端粒长度呈正相关，且端粒和线粒体功能相关性的丧失可能导致胃癌发病机制的启动或进展。因此，我们可以将mt-DNA拷贝数的变化与端粒的长度相关联，来作为推测肿瘤发生发展的监测指标，在胃癌患者的诊断和治疗中应用[25]。但是目前尚无研究表明mt-DNA拷贝数变化与胃癌有直接关联，因此，我们可以继续进行二者关联性的研究。通过检测相关胃癌患者拷贝数表达[26]，发现mt-DNA拷贝数减少且携带D310突变的胃癌患者预后生存时间较短、预后较差。相关细胞实验证明，线粒体DNA拷贝数减少导致的线粒体功能障碍可诱导葡萄糖利用的代谢重编程，包括糖酵解增强、磷酸化抑制减少，以及AGS胃癌细胞系中更具攻击性的表型[27]。综上所述，mt-DNA拷贝数的减少在胃癌的癌变、进展和不良预后中起重要作用。

5.3 mt-DNA测序与胃癌

通过对胃癌患者及正常人的mt-DNA测序，结果显示，MT-ND3的rs28358278、rs2853826和rs41467651多态性增加了胃癌发生的易感性。其中，在所有年龄段胃癌患者中，rs41467651 T等位基因与胃癌风险显著相关；在女性受试者中，rs28358278 G、rs2853826 T等位基因与胃癌风险增加相关[28]。此外，相关测序表明，MT-RNR1、MT-ND5、MT-ND4、MT-ND2、MT-DLOOP1和MT-CO1等基因在肿瘤组织中的变异系数更高[29]。这表明mt-DNA与胃癌易感性相关，并可作为相应测序指标，引起相关学者的关注。

6 mt-DNA在结直肠癌中的研究

6.1 mt-DNA相关编码基因与结直肠癌

通过分析结直肠息肉、腺癌及其相应邻近正常组织中的电子传递链、复合物Ⅰ和复合物Ⅲ以及羰基蛋白质组的含量，结果表明，mt-DNA基因在结直肠肿瘤（colorectalcancer,CRC）中的表达存在差异，肿瘤组织中复合物Ⅰ和Ⅲ的水平高于邻近的正常组织。某些mt-DNA基因表达的增加和ROS水平的升高可能在结直肠肿瘤从息肉演变为恶性病变中起着重要作用[30]。此外，通过对结直肠癌患者组织样本中mt-DNA相关基因COXIV-1和ATPase6表达水平的检测发现，在结直肠腺瘤性息肉发展过程中COXIV-1和ATPase6线粒体蛋白表达的降低与ROS产生的增加相关，COXIV-1在结直肠细胞从息肉发展到癌的能量代谢中起着关键作用[31]。将肿瘤组织与邻近正常组织相比，结直肠癌和腺癌中MT-COI、MTCYB、MT-ND1和MT-RNR1的表达水平逐渐升高[32]。因此，线粒体编码基因的失调促进了癌症的进展。MT-ND1是mt-DNA中常见的已发生突变的基因之一，通过对MT-ND1检测发现，无细胞mt-DNA总体上呈现出与肿瘤组织的高度一致性，且结直肠癌患者血浆中MT-ND1含量明显高于健康人[33]。总之，MTND1的含量和变异体可能成为诊断和监测结直肠癌的工具，而血液中检测相关mt-DNA可以作为一种新的检测方式诊断结直肠癌。

6.2 mt-DNA拷贝数与结直肠癌

通过对CRC样本分析可得知，更深的肿瘤浸润和更长的肿瘤长度均与mt-DNA拷贝数呈正相关，且更高的mt-DNA拷贝数和线粒体功能可能赋予CRC侵袭性优势[34]。此外，通过病例对照研究发现mt-DNA的拷贝数与结直肠癌发生的风险显著相关，呈剂量依赖性，并在随后5年以上的随访中发现，mt-DNA拷贝数和结直肠癌之间的反向关联仍然显著[35]，这表明，mt-DNA的拷贝数可能是结直肠癌风险的长期预测因子。

6.3 mt-DNA测序与结直肠癌

对结直肠癌患者的mt-DNA进行测序，结果显示mt-DNA单倍型M7和单核苷酸多态性与结直肠癌风险显著相关。其中单倍型M7特异性SNP，包括199T＞C、4071C＞T和6455C＞T，与结直肠癌的风险降低呈正向关联，即M7特异性SNP表达增加时，相应结直肠癌风险降低，故而单倍型M7与结直肠癌风险显著降低有关。提示我们，结直肠癌患者存在mt-DNA单倍体M7和SNPs潜在关联[36]。

6.4 mt-DNA突变与结直肠癌

在一项病例对照研究中调查了mt-DNA的D 环区域单核苷酸多态性的结肠癌风险特征，其中D-环区mt-DNA多态位点m.146T＞C、m.324C＞G、m.73G＞A、m.195T＞C、m.16304T＞C和m.16261C＞T均与结肠癌高危因素相关[37]，且mt-DNA T4216C突变在肿瘤患者组织与邻近正常组织之间存在显著差异[38]。因此在mt-DNA中寻找体细胞突变和D环区域单核苷酸多态性将是癌症早期检测的诊断价值之一。

7 结论与前景

近年来，mt-DNA已成为参与癌症进展的重要分子。mt-DNA突变被认为能够适应不断变化的组织或环境，越来越多的研究发现，mt-DNA单核苷酸多态性和突变可作为癌症的预测因子或预后生物标志物。除此之外，相关研究表明mt-DNA拷贝数变化[39]、mt-DNA相关编码基因改变[40]均可影响癌症的发生和发展并维持细胞功能。这些数据均得到了流行病学研究的支持，正如David等在肝癌中的应用[17]，我们可以将相关表达值的变化作为消化系恶性肿瘤患者诊断和术后评估的一项指标。有研究揭示通过干扰相对的mt-DNA表达并进行免疫抑制和代谢抑制的联合治疗[41]，可对个体的免疫系统激活，提高癌症治疗效果。mt-DNA在消化系恶性肿瘤中起到了重要的作用，但导致肿瘤发生发展的具体机制尚不明确，随着新型分子生物学技术及相关组学技术的发展（从基因组学到转录组学，从蛋白质组学到代谢组学），mt-DNA在癌症中的研究将会有更多的突破，并为临床上的准确识别与线粒体功能障碍相关的特定信号通路和开发治疗干预措施等方面提供重要的研究价值。