线粒体DNA：被忽视的癌基因组？

       受扰动的线粒体生物能量学构成了癌症相关代谢功能障碍的核心支柱。虽然癌症中的线粒体功能障碍可能是由无数生化原因引起的，但历史上被忽视的来源是线粒体基因组。最近的大规模测序工作和临床研究强调了人类肿瘤中线粒体 DNA (mtDNA) 突变的普遍性及其在癌症进展中的潜在作用。在这篇综述中，我们讨论了线粒体基因组的生物学、mtDNA 突变的来源以及 mtDNA 突变在癌症中的作用的实验证据。我们还提出了一种“代谢许可”模型，用于治疗癌症起始和进展中 mtDNA 突变衍生的功能障碍。

线粒体和新陈代谢

       哺乳动物线粒体虽然主要起源于变形菌，但它是由真核生物、古细菌、细菌和噬菌体提取并在它们之间重组的元素组成的进化镶嵌物 。在整个进化过程中，大多数线粒体遗传信息都转移到了细胞核中。然而，线粒体保留了一个退化的基因组，即线粒体 DNA (mtDNA)，允许一种基因组共生形式，线粒体通过这种共生形式维持一定程度的细胞控制，通过一系列不完全理解的逆行信号与细胞核通信 。

       线粒体是真核生物必不可少的细胞器，执行关键功能，从生成 ATP 和 GTP 等生物能量中间体，到合成核苷酸、Fe-S 簇、血红素和氨基酸、Fe 2+ /Ca 2+处理、炎症、和细胞凋亡。由于它们在这种细胞关系中的位置，线粒体功能障碍和随后的代谢缺陷与多种人类病理有关，包括散发性和家族性癌症 。

       癌变组织中的细胞代谢紊乱是一种历史悠久且被广泛认可的现象，最近的开创性研究通过突变或编码线粒体蛋白的核 DNA 表达失调定义了癌症中线粒体功能障碍的特定途径 。最近，人们考虑了一种较少讨论的导致癌症线粒体功能障碍的正交途径：线粒体基因组的突变和失调。在本文中，我们将回顾支持 mtDNA 突变在癌症中的作用的最新证据、这些突变的可能来源以及该领域仍有待解决的主要挑战。

哺乳动物线粒体遗传学

       哺乳动物线粒体由约 1200 种蛋白质组成，其中绝大多数在核基因组中编码和表达，而这些蛋白质的一小部分由空间和可遗传分离的线粒体基因组编码 。人类线粒体基因组是 16.5 kb 的遗传上紧凑的环状双链 DNA 分子，通常每个细胞存在 100 到 10,000 个拷贝，基于细胞类型特异性 [ 12 , 13]。在大多数高等后生动物中，mtDNA 牢固地锚定在线粒体基质内的线粒体内膜 (IMM) 上，包装成称为类核的蛋白质-DNA 复合物，这些复合物主要由线粒体转录因子 A (TFAM) [ 14 , 15 ] . 人类 mtDNA 仅编码 11 种 mRNA、22 种 tRNA 和 2 种 rRNA （图1b）。总共，来自这 11 种 mRNA 的 13 种极其疏水的多肽共翻译插入 IMM，在那里它们形成呼吸链复合物 I、III、IV 和 ATP 合酶的核心、膜结合亚基。人类线粒体的遗传组成。a线粒体电子传递链 (ETC) 的双基因组起源。ETC 包含约 90 个单独的蛋白质亚基，由核 (nDNA) 和线粒体基因组 (mtDNA) 编码。功能性 ETC 的组装需要两个独立基因组对这些成分的协调调节和表达。除了 mtDNA 中编码的 13 种 ETC 蛋白外，人类线粒体蛋白质组的其余部分在核基因组中编码和表达。通过膜包埋的蛋白质转位酶将核编码蛋白质导入线粒体基质需要膜间空间 (IMS) 和基质 (白色圆圈) 之间的膜电位。核编码成分呈棕色, 线粒体编码的成分为蓝色、红色、绿色和黄色的复合物。复合物 III 显示为二聚体。b人类 mtDNA 的注释遗传特征。11 个 mRNA（两个重叠）编码 13 种多肽，形成 ETC 的基本成分。这些是使用改变的遗传密码表达的，由同样编码在 mtDNA 中的 22 种线粒体特异性 tRNA 的完整补充实现。产生的蛋白质通过线粒体核糖体共翻译插入线粒体内膜 (IMM)，其中包含独家线粒体来源的结构 RNA 成分（12S rRNA、16S rRNA 和 mt-tRNA Val）。置换环 (D-loop) 和主要非编码区 (NCR) 的扩展视图，包含 7S DNA，指示 mtDNA 转录的关键位点（重链启动子，HSP；轻链启动子，LSP）、复制（重链的起源，OH ）和其他与这些功能相关的重要元素（保守序列块 1-3，CSB1-3；终止相关序列，TAS）。C从 LSP 和 HSP 转录 mtDNA 的初级多顺反子图谱。通过线粒体 RNA 聚合酶 (POLRMT) 线粒体转录延伸因子 (TEFM) 复合物的转录产生近乎完整的基因组长度的转录物，该复合物经过核酸内切处理以释放单个基因产物，并进一步修饰 mRNA、rRNA 和 tRNA 分子以实现高效翻译。

       通过异步链置换合成复制 mtDNA。通过从 LSP 合成 RNA 引物开始复制，该引物与非模板 DNA 形成 G-四链体并终止于 CSB2。复制性线粒体 DNA 聚合酶 γ (Pol γ) 在 O H周围从该引物开始 DNA 合成，解旋酶 Twinkle 解旋上游 DNA。亲本 L 链充当合成模板，置换的 H 链暂时被线粒体单链结合蛋白 (mtSSB) 包被。一旦 Twinkle 揭示 O L，在亲本 H 链的 ssDNA 中形成茎环，允许通过 POLRMT 合成短 RNA 引物，然后使用置换的亲本 H 链作为模板合成子 L 链。DNA 合成继续进行，直到产生两个完整的半连接 mtDNA 分子。RNA 引物在涉及 RNase H1 和瓣内切核酸酶 1 (FEN1) 或 FEN1 样活性（未显示）的双核酸酶途径中被去除，半链烷由线粒体拓扑异构酶 3α ( Top3α )分解。尽管 mtDNA 作为具有强大拷贝数控制的多拷贝基因组的地位早已确立，但任何调节拷贝数的机制的基础仍然是一个鲜为人知的现象 。维持 mtDNA 拷贝数的重要性也不清楚，有几个显着的例子表明 mtDNA 拷贝数在体外和体内完全或几乎完全丢失，导致对线粒体功能产生微妙或暂时的延迟影响 。mtDNA 的多拷贝性质允许存在混合的 mtDNA 分子群体，其中并非所有基因组都是相同的，这种现象称为异质性。在疾病背景下，给定细胞或个体中 mtDNA 突变异质性的程度在线粒体功能障碍的发展中起着重要作用，线粒体 DNA 异质性是一个重要的概念，无论是在疾病状态还是非疾病状态 。