综述：精准肿瘤学中的线粒体DNA改变：在诊断与治疗中的新兴作用

　　本综述系统探讨了线粒体DNA（mtDNA）改变在精准肿瘤学中的多重作用，涵盖其作为诊断标志物、治疗靶点及预后指标的潜力。文章详细解析了mtDNA突变如何通过影响氧化磷酸化（OXPHOS）、活性氧（ROS）产生和代谢重组（如Warburg效应）驱动肿瘤发生、转移及治疗抵抗，并强调了液态活检和单细胞测序等新技术在临床应用中的前景。

　　

引言

线粒体作为动态细胞器，在ATP合成、凋亡调控、钙稳态和代谢中间体生物合成等关键细胞功能中扮演核心角色。近年研究凸显线粒体DNA（mtDNA）含量及其改变在多种疾病（包括癌症）发生与发展中的重要意义。mtDNA的高突变率和易损性使其成为癌症诊断、疾病进展监测、转移检测及治疗抵抗预测的有价值生物标志物。

线粒体基因组

人类mtDNA为环状双链结构，全长16,569碱基对，编码37个基因，包括13个氧化磷酸化（OXPHOS）相关蛋白、22个转运RNA（tRNA）和2个核糖体RNA（rRNA）。其非编码区D-loop负责调控mtDNA复制与转录。与核DNA（nDNA）不同，mtDNA缺乏组蛋白保护，以核样体（nucleoid）形式组织，且突变率约为nDNA的10倍。这种高突变率源于其频繁复制、暴露于OXPHOS产生的活性氧（ROS）环境、修复机制有限及无内含子结构。

截至2024年10月，MITOMAP数据库共记录22,203种mtDNA变异，其中6,510种全球频率超过0.0001%。异质性（heteroplasmy）现象——即同一细胞内野生型与突变型mtDNA共存——增加了功能研究的复杂性。突变比例超过组织特异性阈值时，可能引发细胞功能障碍，甚至促进肿瘤进展。

mtDNA与癌症诊断

流行病学研究揭示特定mtDNA单倍型（haplogroup）与癌症风险相关，例如T单倍型与结直肠癌（CRC）、M单倍型与乳腺癌、U单倍型与前列腺癌和肾癌风险存在关联。体细胞mtDNA突变同样参与肿瘤发生，如食管癌中ND5和CYB基因高频突变、肺癌中ATP6和ND3基因非同义突变富集。此外，mtDNA拷贝数减少常见于多种癌症，可能与线粒体功能抑制相关。

非编码区（如D-loop和tRNA基因）突变亦频繁出现，例如乳腺癌中5种mt-tRNA突变被鉴定为潜在致病因子。全基因组研究还发现mtDNA片段向核基因组整合（NUMTs）事件，可能通过激活癌基因或破坏抑癌基因促进基因组不稳定性。

mtDNA与肿瘤进展和转移

研究表明mtDNA突变直接影响肿瘤侵袭与转移行为。例如，小鼠模型中移植高转移性肿瘤细胞的线粒体可增强低转移细胞侵袭能力，其中ND6基因突变（G13997A、13885insC）通过增加ROS production促进转移。类似地，ND3基因G10398A变异通过改变NADH dehydrogenase活性增强肿瘤生成。膀胱癌中CYB基因突变、前列腺癌骨转移中体细胞mtDNA突变均与微环境适应及生存优势相关。

肿瘤异质性研究中，头颈鳞癌（HNSCC）样本显示mtDNA突变积累与淋巴结转移相关。细胞外囊泡（EVs）介导的mtDNA转移还可改变肿瘤微环境中基质细胞表型，进一步促进进展。

mtDNA与治疗响应

mtDNA改变显著影响化疗、放疗及靶向治疗响应。缺乏mtDNA的肿瘤细胞对阿霉素和光动力疗法抵抗，而ND5基因截短突变可通过诱导Warburg样代谢重编程增强免疫检查点抑制剂疗效。化疗（如紫杉醇-卡铂）可能诱导或选择mtDNA突变（如ND4突变），导致治疗抵抗。慢性淋巴细胞白血病中化疗后异质性突变增加与ROS升高相关。

相反，低mtDNA拷贝数的乳腺癌细胞对蒽环类药物更敏感，提示mtDNA含量可作为预测 biomarkers。联合靶向线粒体功能药物（如二甲双胍）与常规治疗展现出协同潜力。

mtDNA的液态活检检测

液态活检通过分析循环游离mtDNA（cf-mtDNA）为无创诊断提供新途径。cf-mtDNA水平与肿瘤负荷相关，在胆管癌、CRC、肝癌、胰腺癌和前列腺癌中显著升高。其检测灵敏度甚至高于核cfDNA，例如胶质母细胞瘤模型中cf-mtDNA检出率更高。尿液、唾液等局部液体样本亦具诊断潜力，如肾细胞癌（RCC）中尿液cf-mtDNA片段异常可区分患者与健康个体。

此外，cf-mtDNA片段长度与肿瘤大小呈负相关，全线粒体基因组遗传多样性分析可替代特定突变检测用于肝细胞癌（HCC）筛查。外泌体mtDNA亦成为评估RCC侵袭性的潜在标志物。

mtDNA研究的实验工具

下一代测序（NGS）技术（如全外显子测序WES、全基因组测序WGS）推动mtDNA变异研究，但需警惕PCR误差、NUMTs污染及批量测序对异质性分析的局限。单细胞测序技术正逐步解决细胞间异质性挑战。

功能研究依赖细胞质杂交（cybrid）模型、线粒体-核交换（MNX）小鼠及mtDNA突变小鼠（如PolgA突变体）。这些模型助力揭示mtDNA突变对肿瘤发生、代谢与表观遗传（如nDNA甲基化）的调控。CRISPR/Cas9等基因编辑技术虽面临靶向难度与异质性挑战，仍为精准修饰mtDNA提供可能。

结论与展望

mtDNA改变通过调节代谢、ROS生成和细胞死亡途径深入参与癌症演进。异质性与年龄相关突变虽增加研究复杂性，但新技术（如高分辨率单细胞测序和液态活检）正提升其临床转化潜力。未来需进一步探索mtDNA突变作为治疗靶点与诊断工具的协同策略，推动精准肿瘤学发展。