《Frontiers in Cell and Developmental Biology》：Mitochondrial epigenetic mechanisms in cancer: an updated overview
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本综述系统梳理了线粒体表观遗传（mitoepigenetics）在肿瘤发生中的最新进展，重点阐述了mtDNA甲基化、mtDNA编码非编码RNA（ncRNA）以及双向核-线粒体表观遗传对话在调控癌细胞代谢重编程、增殖、转移及治疗抵抗中的关键作用，为开发新型抗癌靶点提供了前瞻性视角。
线粒体是调控细胞凋亡、代谢、能量生产和稳态的核心细胞器。大量证据表明，线粒体功能障碍及其导致的代谢重编程深刻影响肿瘤发生、进展、血管生成和转移的关键特征，并在治疗抵抗中发挥作用。因此，线粒体已成为抗癌治疗的一个有前景的靶点。除了线粒体基因组中众所周知的突变异常外，近期研究表明，改变的表观遗传机制也可能参与癌症病因学。本综述旨在提供关于癌症中线粒体表观遗传调控文献的最新概述。
表观遗传与线粒体表观遗传机制
表观遗传机制是细胞功能的关键调节因子，在核基因组中已得到广泛表征。线粒体表观遗传最初指线粒体基因组的表观遗传调控，但现在更广泛地用于描述表观遗传机制介导的双向核-线粒体对话。
DNA甲基化涉及DNA甲基转移酶（DNMTs）将甲基基团添加到胞嘧啶上。在核DNA中，甲基化主要发生在CpG位点。尽管仍有争议，但mtDNA中的DNA甲基化在40多年前的动物模型中首次被报道，随后在人和小鼠成纤维细胞中得到证实。研究发现DNMT1、DNMT3A/B和TET酶在线粒体中定位，并且mtDNA甲基化与mtDNA拷贝数和mtDNA基因表达相关。值得注意的是，在心血管、代谢、神经退行性疾病和癌症患者的细胞、动物疾病模型及人体组织中均报道了改变的线粒体表观遗传标记。
另一个特征明确的表观遗传机制是组蛋白尾部修饰。由于mtDNA缺乏组蛋白，这种修饰不能算作线粒体表观遗传机制。然而，mtDNA被包装成核样结构，其核心蛋白是TFAM，它发挥组蛋白样结构作用。有趣的是，该蛋白质的翻译后修饰，包括乙酰化和磷酸化，通过调节其与mtDNA的亲和力来影响其功能。TFAM的翻译后修饰已涉及多种病理，但在致癌作用中尚无直接证据。
非编码RNA介导了额外的表观遗传层。ncRNAs主要根据长度分类：特征最明确的是长链非编码RNA（>200核苷酸），包括线性和环状RNA（circRNAs），以及短链RNA（<200核苷酸），如microRNAs（miRNAs）和piwi-interacting RNAs（piRNAs）。ncRNAs也在线粒体内发现。它们大多由核DNA编码，较小部分由线粒体基因组编码。mtDNA编码的ncRNAs表达改变与多种人类疾病相关，包括癌症。
MtDNA甲基化在癌症中的作用
将mtDNA甲基化与癌症联系起来的证据好坏参半。早期研究报告称，在胃癌和结直肠癌患者的癌细胞系以及恶性和非恶性组织中，5-甲基胞嘧啶（5-mC）很少或不存在。类似地，在宫颈癌和腺瘤中也检测到低水平。
然而，针对D-loop的研究表明疾病相关的低甲基化与基因表达改变相关。在匹配的结直肠标本中，D-loop在相邻非癌组织中甲基化，但在大多数肿瘤样本中未甲基化，同时癌组织中ND2（NADH脱氢酶2）蛋白水平更高。在65例结直肠癌标本中，与配对对照相比，D-loop甲基化降低，而mtDNA拷贝数和ND2蛋白表达上调。在结直肠癌细胞系中，5-氮杂-2'-脱氧胞苷的药理去甲基化导致D-loop甲基化降低以及mtDNA拷贝数增加，并伴有细胞行为改变。
将癌症相关的mtDNA甲基化改变扩展到结直肠癌之外，胶质母细胞瘤和骨肉瘤模型表现出mtDNA甲基化逐渐下降，伴随mtDNA拷贝数增加以及MT-ND5和MT-ND6基因表达改变。这些发现表明，D-loop低甲基化可能促进早期mtDNA拷贝扩增以维持肿瘤发生，而随后5-mC水平升高可能作为调节制动器。
在乳腺癌中也涉及线粒体DNA甲基化的变化。对五个家族女性外周血的分析显示，D-loop内的异常甲基化与疾病存在相关。随后的研究检查了乳腺癌和肝癌细胞模型与正常对应物的全mtDNA甲基化谱，揭示了甲基化的显著差异，主要发生在非CpG位点。D-loop甲基化与MT-ND6表达呈负相关。
一项使用具有可变顺铂敏感性的口腔鳞状细胞癌细胞系的研究表明，增强的耐药性并非归因于整体mtDNA甲基化。然而，内在耐顺铂的H103细胞系在MT-CO1和MT-CYB内显示出三个超甲基化CpG位点。这些超甲基化CpG位点与相应的线粒体基因表达略高相关。
此外，在头颈癌标本中检测到mtDNA的CpG和非CpG甲基化均增加。在同一研究中，肝肿瘤样本和相应的正常组织中未观察到甲基化水平改变。最近，观察到源自原发性肾细胞癌（RCC）的骨转移肿瘤细胞中D-loop甲基化显著增加。作者将骨转移组织的高D-loop甲基化水平与低mtDNA含量和DNMT1在线粒体内的积累相关联。体内药理去甲基化显著减弱了骨转移形成。
总之，这些发现指向一个模型，即mtDNA甲基化在癌症中并非统一改变或统一功能，而是反映了肿瘤和组织特异性的代谢需求。
MtDNA编码的ncRNAs在癌症中的作用
在线粒体内已鉴定出各种mtDNA编码的ncRNAs。2007年，报道了一种源自线粒体MT-RNR2基因的非编码RNA，称为ncmtRNA，其表达与细胞的复制状态相关。最近有报道称，ncmtRNA可以进入细胞核并与染色质结合，作为染色质相关RNA（caRNAs）发挥作用。
随后的研究揭示了两种线粒体转录本的存在，即ASncmtRNA-1和ASncmtRNA-2，它们是在癌细胞中下调并在非癌细胞中表达的反义转录本。在膀胱癌患者的尿细胞中发现了SncmtRNAs的高表达和ASncmtRNAs的下调。用高危人乳头瘤病毒（HPV-16或18）永生化培养的人细胞会诱导ASncmtRNAs的下调并诱导一种新的SncmtRNA表达，命名为SncmtRNA-2。值得注意的是，同一研究团队表明，用反义寡核苷酸（ASOs）敲低ASncmtRNAs可在不同肿瘤细胞系中诱导凋亡性细胞死亡，而不影响正常细胞的活力。在随后的研究中，ASncmtRNA-1和ASncmtRNA-2的表达与肾细胞癌的凋亡和肿瘤转移相关。体内ASO沉默小鼠ASncmtRNAs触发了RenCa小鼠肾腺癌细胞凋亡。后续研究进一步支持了靶向ASncmtRNAs的治疗潜力。
在乳腺癌细胞中，显示缺氧诱导的线粒体lncRNA MTORT1的表达低于非癌细胞，并且该lncRNA参与细胞生长和增殖。随后的研究鉴定了13个先前未报道的线粒体基因组编码的miRNA（mitomiRs），在乳腺癌细胞系、非恶性乳腺上皮细胞系以及正常和肿瘤乳腺组织中显示差异表达。值得注意的是，mitomiR-5在肿瘤组织中上调并靶向核PPARGC1A基因。在后续研究中，相同的团队显示13种mitomiRs在基底样三阴性乳腺癌（TNBC）细胞中水平更高。其中11种mitomiRs能够结合ZEB1的3'UTR。值得注意的是，在TNBC细胞中抑制mitomiR-3促进了向促铁死亡途径的代谢重编程。
另一类在致癌作用中具有突出作用的非编码RNA是circRNAs。Liu等人鉴定了跨人类和动物细胞中由mtDNA编码的数百种circRNAs，包括mecciND1和mecciND5，它们促进胞质蛋白导入线粒体。他们报告称，与匹配的癌旁组织相比，肝细胞癌（HCC）肿瘤中mecciND1表达增加。在慢性淋巴细胞白血病（CLL）中，也鉴定了几种失调的血浆circRNAs，包括四种线粒体编码的circRNAs。其中上调最显著的是hsa_circ_0089762，它源自MT-COX2基因。更高的mc-COX2水平与显著较差的总生存期和TP53缺失相关。最近，在结直肠癌（CRC）和癌旁正常组织样本中研究了环状RNA SCAR/mc-COX2的表达。SCAR/mc-COX2在肿瘤中的表达明显低于匹配的癌旁非癌组织。
总之，mtDNA编码的ncRNAs在癌症类型中表现出惊人多样和背景依赖的功能。
表观遗传核-线粒体双向对话在癌症中的作用
核基因组和线粒体基因组之间建立了表观遗传介导的双向对话，使基因表达与细胞需求和环境线索保持一致。逆行信号指信息从线粒体到细胞核的流动，通过ROS、Ca2+和代谢物依赖性途径发生，这些途径调节核DNA和组蛋白修饰。顺行信号描述了核编码因子的调节影响。
例如，关于逆行信号，不同线粒体代谢物的改变与核DNA甲基化改变相关。线粒体功能障碍还可以升高线粒体Ca2+以激活丙酮酸脱氢酶磷酸酶1，从而增加乙酰辅酶A，驱动组蛋白乙酰化程序。此外，前列腺癌和乳腺癌细胞中的线粒体DNA耗竭诱导了DNMT1表达，导致包括EDNRB、MGMT和CDH1在内的基因启动子超甲基化。
关于顺行信号，据报道，影响mtDNA甲基化的核编码基因的表达水平在HCC和乳腺癌中发生改变。编码线粒体蛋白的核基因的DNA甲基化也可能参与不同类型癌症的肿瘤发生。此外，线粒体损伤后的组蛋白修饰可能是肿瘤发生及其耐药性的重要参与者。
线粒体和核编码的ncRNAs也有助于核-线粒体通讯，并可能影响几种癌症的发病机制。如前所述，一些mtDNA编码的ncRNAs能够易位到细胞核。越来越多的证据也表明，从核DNA转录的lncRNAs也是调节癌细胞线粒体功能的信使。已经观察到核编码的lncRNAs是调节Warburg效应的关键参与者。作为进一步的例子，发现核编码的lncRNA MALAT1在肝癌细胞的线粒体中比正常细胞富集。MALAT1敲低增加了mtDNA CpG位点的甲基化并破坏了线粒体转录谱。
此外，在线粒体内鉴定出的几种调节mtDNA活性的miRNA是核编码的，可能参与癌症演进。例如，miR-24在肺癌细胞中靶向MT-ND2，miR-26a在前列腺癌中靶向MT-COX2，miR-4485在乳腺癌中靶向MT-RNR2。总体而言，靶向线粒体基因组的核编码miRNA有可能诱导线粒体功能障碍，调节细胞增殖和凋亡，从而促进肿瘤发生过程。
结论与未来展望
线粒体代谢在癌症中被深刻重编程，阐明这种重编程与肿瘤发生联系的机制至关重要。线粒体表观遗传机制正在成为线粒体功能的关键调节因子，它们的改变可能有助于癌症发展。迄今为止，研究表明mtDNA甲基化在多种癌症类型中发生改变，与肿瘤进展相关，并可能有助于耐药性。此外，mtDNA编码的ncRNAs正在成为肿瘤发生的重要贡献者，调节细胞增殖并呈现药理学干预的潜在靶点。此外，核-线粒体表观遗传通讯代表了一个额外的调节轴，通过它线粒体改变可以影响核基因表达和肿瘤进展。
线粒体表观遗传改变并非孤立作用，而是整合到表征恶性转化的更广泛的代谢重连中。从转化角度来看，讨论的论文表明线粒体表观遗传变化有希望作为癌症检测、分层和治疗反应的生物标志物。同样，由线粒体代谢物和ncRNA运输驱动的核-线粒体表观遗传信号是线粒体功能障碍与核转录重编程之间的机制联系，强调了其作为精准肿瘤学中可药物靶点的潜力。旨在调节mtDNA甲基化、抑制致癌mitomiRs、恢复肿瘤抑制性线粒体ncRNAs或干扰代谢物依赖性逆行信号的新兴方法说明了如何利用线粒体表观遗传途径来减轻癌症进展。
尽管本综述突出了该领域日益增长的兴趣，但需要进一步研究以更好地阐明肿瘤发生背后的线粒体表观遗传机制。未来的研究应调查线粒体和核表观遗传程序如何在系统水平上整合，以及如何治疗性地操纵这些相互作用。针对调节mtDNA甲基化、靶向线粒体相关ncRNAs或利用代谢物依赖性表观遗传信号通路的策略可能为癌症治疗提供新的机会。进一步的研究还应考虑TFAM的翻译后修饰在肿瘤发生中的作用。此外，需要进一步研究以更好地理解核-线粒体通讯背后的表观遗传调控及其在肿瘤发生中的潜在作用。
理解这些多层调节网络对于充分阐明线粒体表观遗传机制在癌症发展、进展和治疗抵抗中的作用至关重要。
