线粒体自噬在肝癌发生与发展中作用机制的研究进展

Abstract

Mitophagy, as an important link in maintaining mitochondrial homeostasis and environmental homeostasis in the liver, can remove damaged mitochondria and provide energy through autophagy and other processes. Additionally,it plays a dual role in the occurrence and development of liver cancer and can affect the therapeutic effect of liver cancer through a variety of signaling pathways. This article reviews the relationship between mitophagy and hepatitis B virus infection, liver cancer occurrence and development, liver cancer stem cells, mitochondrial division and fusion, therapeutic resistance and invasiveness of liver cancer, and other aspects.

目前肝癌的治疗不尽如人意，主要在于其早期诊断率低，生物学行为较差。尽管2022年发布的癌症统计数据预测我国肝癌的发病率会呈现下降的趋势^[1]。然而，在亚洲肝癌依旧占全球癌症死亡率的10.5%^[2]。肝癌的发生与乙型肝炎病毒（hepatitis B virus, HBV）感染的相关性较大，我国肝细胞癌（hepatocellular carcinoma, HCC）患者中HBV阳性率仍高。肝癌起病隐匿，容易扩散，多数患者发现时已经是肝癌晚期，治疗措施相对有限，缺少特异性的靶向药物，导致疗效不佳，预后极差，因此早期筛查和诊断对积极治疗肝癌和提高患者生存率十分重要。HCC患者的长期生存时间和预后转归情况并不乐观，故对原发性肝癌的发生和发展机制进行探索研究，积极寻找肝癌诊断治疗的新靶点和新措施至关重要。线粒体自噬作为肝脏稳态调节中的关键环节，能通过清除受损或者无功能的线粒体维持肝癌细胞内稳态^[3]。近年来的各种研究综合表明，线粒体自噬功能失调与肝癌的发展息息相关，其中的信号通路更是相当复杂，这为我们进一步研究提供了广阔的空间。

一、线粒体自噬在细胞内稳态、生理和病理中的作用机制

自噬是真核生物中一种高度调控且进化保守的各种蛋白质和细胞器等降解过程，它允许受损细胞在不引起炎症的基础上以自我调控的方式降解清理回收细胞的所有非功能性产物^[4]。无功能的亚细胞器和蛋白质一旦被细胞检测到，将被以内质网膜和自噬蛋白为主的双膜囊泡包围，主要发挥作用的有微管关联蛋白1轻链3β （recombinant microtubule associated protein 1 light chain 3 beta, MAP1LC3b）、自噬效应蛋白（Beclin-1）、vacuolar protein sorting 34 （VPS34）、自噬相关蛋白1抗体（ULK-1）以及泛素化相关蛋白等^[5]。这一过程早在60年前就有相关描述，但线粒体自噬却在2005年才被提出^[6]。

线粒体是机体内细胞，包括普通细胞和癌症细胞都需要的能量中心^[7]，线粒体膜作为最重要的稳定呼吸链复合体，细胞内线粒体呼吸不可避免会产生大量活性氧，导致线粒体膜蛋白、mt DNA和线粒体磷脂等损伤^[8]，线粒体自噬则有助于控制肝脏内的活性氧，防止其引起过度的氧化应激和纤维化等异常反应。但是，线粒体维持稳态的作用存在阈值，一旦线粒体出现功能障碍，导致内环境代谢紊乱、产生大量活性氧、脂质过氧化以及各种细胞因子分泌，最终会造成细胞死亡^[3]。因此，线粒体自噬的过度调节会促进肝脏相关疾病的发生，如肝纤维化和肝癌。线粒体主要作为胞膜来源和信号平台参与自噬调控，泛素蛋白酶体系统在线粒体中对调节细胞周期、细胞凋亡、血管生成以及肿瘤的发生等方面起重要作用^[9]。其中研究较多的线粒体E3连接酶对蛋白质的泛素化对线粒体蛋白和位于线粒体外膜（outer mitochondrial membrane, OMM）的蛋白降解起整合作用，PTEN诱导假定激酶1（recombinant pten induced putative kinase 1, PINK1）和parkin RBR E3泛素蛋白连接酶（parkin/PRKN）主要参与线粒体降解：PINK1先从OMM运输到线粒体内膜（inner mitochondrial membrane, IMM）被切割，切割后的PINK1被重新转运到细胞质中被泛素蛋白酶体系统降解。当线粒体去极化时PINK1无法被切割，而在OMM处积累并且附着的泛素链被磷酸化，触发线粒体招募parkin到OMM并被磷酸化激活，激活的parkin进一步泛素化线粒体膜蛋白并触发线粒体招募自噬受体，比如含钙结合结构域（NDP52）、Tax1结合蛋白1（Tax1 binding protein, TAX1BP1）、钙结合和卷曲螺旋结构域（calcium-binding and coiled-coil domain 2,CALCOCO2）等，最终形成自噬小体完成线粒体自噬^[3]。

除了PINK1和parkin，还有其他OMM受体也可以诱发线粒体自噬，如X三体综合征相关蛋白（FUNDC1）、自噬和beclin1调节器1（autophagy and beclin 1 regulator 1,AMBRA1）、Bc12样凋亡蛋白13（BCL2L13）、NLR family member X1（NLRX1）等。对于FUNDC1，有研究人员通过在心肌细胞中过表达双特异性磷酸酶1（DUSP1）推测FUNDC1依赖的线粒体自噬得到了增强，受损线粒体的膜电位和代谢得到显著恢复和改善^[10]。除了PINK1/parkin途径，还有其他E3连接酶在线粒体自噬中也发挥作用，如E3泛素连接酶（MUL1）、HUWE1、糖蛋白（Gp） 78等，并且MUL1和parkin能同时作用于OMM线粒体融合蛋白mitofusin-1（MFN1）和mitofusin-2（MFN2）的泛素化^[3]。有研究发现新型选择性口服蛋白酶体抑制剂ONX0912在肝癌中能够激活PINK1/parkin信号通路触发线粒体自噬和凋亡，进而触发肝癌细胞凋亡^[9]。这提示我们可以利用泛素蛋白酶体系统，通过不同的信号途径调控蛋白酶体的活性进而控制线粒体自噬，这些信号可能会成为未来肝癌治疗的新靶点。

二、线粒体自噬与HBV感染

HBV是一种DNA病毒，通过逆转录复制，形成ccc DNA整合至宿主细胞。各研究综合表明HBV基因组中的转录因子如肝细胞核因子4α（hepatocyte nuclear factor 4 alpha,HNF4α）和过氧化酶增殖激活受体α （peroxisome proliferator-activated receptors alpha, PPARα）等同时也和线粒体有相互作用，影响线粒体的代谢^[11]。HBV感染能改变线粒体动力学——诱导动力相关蛋白1（dynamin-related protein 1， DRP1）Ser616位点磷酸化引发线粒体分裂和诱导PINK1/parkin/LC3B基因表达促使线粒体自噬，以减少病毒诱导细胞凋亡，因为受损的线粒体能产生大量活性氧损伤线粒体诱导细胞死亡，迅速清除它们可以维持细胞活力，但该自我保护也间接促进HBV持续感染。线粒体parkin的局部富集不仅激活线粒体分裂，还能诱导线粒体融合蛋白MFN2降解进一步促使线粒体分裂^[12]。HBV X蛋白（the X protein of the HBV， HBx）也通过上调PINK1/parkin通路大量诱导线粒体自噬破坏线粒体功能，被激活的parkin还能泛素化线粒体抗病毒信号蛋白（mitochondrial antiviral signaling protein, MAVS），减弱其抗病毒免疫作用^[11]，即病毒的复制可能依赖于线粒体自噬，这或许是HBV逃避免疫监测在体内慢性感染诱导炎症反应和肝纤维化的潜在靶点。

三、线粒体自噬与肝癌发生和发展

有研究表明苦参碱能通过阻断PINK1/parkin通路诱导线粒体功能障碍并且抑制线粒体自噬从而激活线粒体凋亡，促进肝癌细胞凋亡^[13]。川弓嗪通过促进PINK1/parkin通路介导的线粒体自噬能够激活被乙醇损伤的肝细胞中泛醇-细胞色素c还原酶核心蛋白2（ubiquinol-cytochrome c reductase core protein 2, UQCRC2）的表达，从而抑制细胞坏死，发挥护肝作用^[14]。当线粒体自噬作为机体保护反应时，23-羟基白桦酸衍生物B5G1通过上调PINK1诱导parkin磷酸化促进线粒体自噬，抑制线粒体自噬反而能提高其抗肿瘤活性^[15]。以上表明线粒体自噬不仅发挥对正常肝细胞的保护作用，还能抑制肝癌细胞凋亡、促进肿瘤迁移，同时有助于癌细胞产生耐药性，这是线粒体自噬对肝癌发生和发展的促进作用。

如果parkin缺陷，肿瘤细胞线粒体自噬障碍导致大量活性氧生成和糖酵解增加，Warburg效应的形成会进一步诱导肿瘤形成^[16]，大量活性氧导致氧化应激和线粒体功能障碍恶性循环，Yazdani等^[17]在敲除ATG16L1基因诱导线粒体自噬缺陷的小鼠中发现白细胞介素-1β和白细胞介素-18水平升高。表明线粒体自噬通过清除活性氧保护细胞免受氧化应激的毒害以抑制肿瘤发生，线粒体自噬缺陷会导致线粒体功能障碍，诱导肿瘤形成，这是线粒体自噬对肝癌的抑制作用。

由此可见，在肝癌的不同发展阶段线粒体自噬的双重作用：在正常肝细胞中，线粒体自噬防止细胞损伤和恶变；HBV感染时，初期线粒体自噬可能是防止细胞死亡的有效保护机制，但在持续性感染中，HBV利用线粒体自噬提供的能量维持其复制，促进肝癌发生。由此推测，选择性抑制肝癌细胞中线粒体自噬同时促进周围正常细胞线粒体自噬可能是将来肝癌的治疗方向。

四、线粒体自噬和肝癌干细胞

有研究发现正常肝脏的线粒体遗传学在mt DNA获得致癌突变前就能决定肿瘤的组织学表现，并且mt DNA决定了正常肝脏中线粒体未折叠蛋白（mitochondrial unfolded protein response， UPRmt）的表达，在UPRmt阳性的肝脏中，激活致癌突变会增加肿瘤的发生率及组织学异质性^[18]。有研究发现线粒体自噬障碍会促使细胞转变为恶性细胞^[5]，进一步实验证明线粒体功能障碍介导的mt DNA损伤和活性氧积累会诱发肝癌发生，并且如果抑制肿瘤细胞的线粒体功能，这些细胞会转化成线粒体功能障碍的肿瘤细胞（ρo）， ρ0细胞中胚胎干细胞标志物Oct4和Sox2表达均增加而K1f4表达下降，使其具备更强的干细胞性质，显著增加肝癌细胞的侵袭性^[19]。Yan等^[20]还发现肝癌组织中的流体剪切应力能通过Rho A-YAP1途径诱导细胞自噬促进肝癌干细胞迁移，他们检测到自噬分子标志物LC3B-Ⅱ/I比值显著升高而自噬底物p62表达水平下降，并且在共聚焦显微镜下观察到诱导的自噬空泡形成。

这些研究为我们提示了线粒体自噬和肝癌干细胞之间潜在的机制，可能是未来治疗肝癌的新靶点。

五、线粒体自噬与线粒体分裂和融合及肝癌的关系

线粒体自噬在肿瘤的生长和抑制等各个方面发挥着复杂的作用，线粒体融合及裂变又与线粒体自噬互相影响。线粒体分裂形成的碎片是线粒体自噬的底物，融合的线粒体则能够抵抗线粒体自噬，二者共同维持线粒体内环境稳态。

线粒体裂变产生的短小线粒体能提高线粒体自噬信号，线粒体裂变和自噬主要用于清理因致癌转化产生应激的线粒体^[21]。线粒体分裂因子（Mitochondrial fission factor, MFF）、DRP1、fission 1 homolog protein（FIS1）等蛋白可以催化线粒体分裂^[22]，且MFF在调节线粒体裂变中有着不可或缺的作用^[7]。研究证明MFF在肝癌起始细胞（liver cancer-initiating cells, LCIC）中显著上调，促进线粒体分裂和自噬，实现线粒体自我更新，并且能增强非LCIC的干细胞性和LCIC致瘤能力，抑制线粒体裂变能抑制肝癌的发生^[7]。线粒体融合蛋白MFN1和MFN2可以催化哺乳动物线粒体融合，多项研究综合表明在肝癌组织中MFN1的表达下降，且线粒体的平均长度短于周边正常组织，低水平MFN1与HCC血管侵犯密切相关^[22]；提高MNF1的水平以降低肝癌转移的途径可能与MFF诱导线粒体自噬的机制相反。同样有报道称上调MFN2在体内外均可以抑制肿瘤生长和转移，促进线粒体融合或许可以促进肝癌细胞凋亡^[22]。

由此我们推测：即使线粒体裂变和自噬能够清除受损线粒体，线粒体裂变水平提高仍能增强肝癌的侵袭性，而促进线粒体融合能促进肝癌细胞凋亡。但有研究表明线粒体融合可以增加肿瘤细胞的凋亡抗性^[22]，这或许是我们抗癌治疗失败的原因之一。

六、线粒体自噬与肝癌的耐药性和侵袭性

在各种信号通路的影响下，肿瘤细胞会通过改变其凋亡和自噬过程抵抗抑制肿瘤细胞增殖和免疫逃逸的药物治疗，这是目前肝癌患者长期药物治疗后出现耐药的常见原因。调控自噬过程可能改变细胞对治疗的反应，为HCC的治疗提供新的靶向治疗选择^[23]。有实验通过敲减枸橼相互作用的丝氨酸/苏氨酸激酶（CIT）基因发现该基因能通过促进线粒体自噬增强肝癌细胞对阿霉素的耐药性^[24]。我们也可以利用能量消耗诱导癌细胞损伤，例如靶向线粒体的纳米微球通过损伤大量线粒体激活超载的线粒体自噬，这种自噬水平远远超过自噬溶酶体降解能力^[25]，大量线粒体自噬使癌细胞最终因ATP耗竭而死亡。

有很多抗肝癌药物通过线粒体发挥作用，从我国中草药黄芪中提取的黄芪多糖通过刺激线粒体自噬抑制肝癌细胞增殖^[26]；抗真菌药酮康唑也被发现具备抗肿瘤作用，主要通过下调COX-2激活PINK1/parkin通路诱导过度的线粒体自噬导致线粒体功能紊乱以促进癌细胞凋亡^[27]。更有其他研究推测一些以线粒体自噬为基础的肝癌治疗可能还受抗氧化剂影响^[28]。过量活性氧还会通过异常的线粒体质量控制系统诱发线粒体功能障碍，减弱线粒体自噬的防御保护作用^[29]。但也有实验证明间氯苯腙羰基氰化物CCCP通过诱导肝癌细胞中活性氧剧增损伤线粒体功能，肝癌的转移能力下降；改善线粒体自噬功能则修复线粒体损伤从而恢复肝癌的侵袭能力^[30]。

七、小结与展望

肝脏作为机体物质代谢和转化的最重要器官，代谢所需要的很多能量来自自噬溶酶体对各种分子的降解，这不仅有助于维持肝脏的正常生理功能，还有助于防止有害物质对肝脏的损伤引起肝纤维化等不良反应。线粒体自噬作为自噬的一部分，在肝癌发展的不同时期根据特定内环境表现出不同的效应，这也是我们研究线粒体自噬在肝癌中作用机制的难点和关键点。因此，一方面我们不仅需要找到早期筛查和诊断肝癌的有效方法，另一方面还需要研究发现对特定阶段肝癌的个性化、针对性的利用线粒体自噬抑制肝癌发展的药物。目前的研究对线粒体自噬到底通过何种途径发挥何种作用依然不够清晰，积极探索线粒体自噬在肝癌中的具体作用依然是我们需要努力的方向。

引用本文：

付鑫雨，张馨，董可帅，等．线粒体自噬在肝癌发生与发展中作用机制的研究进展[J].中华肝脏病杂志，2023,31(10):1113-1116.DOI:10.3760/cma.j.cn501113-20220915-00470.

利益冲突

所有作者均声明不存在利益冲突

作者贡献声明

付鑫雨：撰写；张馨、余佳：审校

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