肿瘤干细胞线粒体动力学与功能

肿瘤干细胞线粒体动力学与功能演讲人2026-01-12

01肿瘤干细胞及其线粒体特征概述02线粒体动力学在肿瘤干细胞自我更新与分化中的调控作用03线粒体动力学介导的肿瘤干细胞能量代谢重编程04线粒体动力学与肿瘤干细胞耐药性的关系053.1mtDNA突变与ETC功能缺陷06靶向肿瘤干细胞线粒体动力学的治疗策略07总结与展望目录

肿瘤干细胞线粒体动力学与功能作为肿瘤研究领域的重要方向，肿瘤干细胞（CancerStemCells,CSCs）的生物学特性及其在肿瘤发生、转移、复发中的核心作用已得到广泛认可。在我的实验室，我们长期致力于探索CSCs的代谢重编程机制，而线粒体作为细胞能量代谢与信号转导的核心枢纽，其动力学过程（融合、分裂、自噬）与功能状态对CSCs的维持至关重要。本文将从肿瘤干细胞的基本特征入手，系统阐述线粒体动力学在CSCs自我更新、分化、能量代谢及耐药性中的调控作用，并探讨基于线粒体动力学的靶向治疗策略，以期为临床克服肿瘤治疗难题提供新的思路。01ONE肿瘤干细胞及其线粒体特征概述

1肿瘤干细胞的定义与生物学特性肿瘤干细胞是一类具有自我更新、多向分化潜能、肿瘤起始能力以及治疗抵抗特性的肿瘤细胞亚群。其核心标志包括：①自我更新能力：通过不对称分裂维持干细胞池的稳态；②分化潜能：可分化为异质性肿瘤细胞，构成肿瘤组织；③致瘤性：在免疫缺陷小鼠中能形成与原发肿瘤相似的异种移植瘤；④耐药性：对化疗、放疗等常规治疗手段具有天然或获得性抵抗。以乳腺癌为例，CD44⁺/CD24⁻/low表型的CSCs被证实具有更强的致瘤性和化疗抵抗能力，其比例与患者预后不良显著相关。这些特性使CSCs成为肿瘤复发和转移的“种子细胞”，也是当前抗肿瘤治疗的重要靶点。

2线粒体动力学的基本概念线粒体动力学（MitochondrialDynamics）是指通过融合（Fusion）、分裂（Fission）和自噬（Mitophagy）等过程维持线粒体形态、数量与功能稳态的动态调控机制。这一过程由一系列高度保守的蛋白精密调控：-融合：由外膜融合蛋白Mitofusin1/2（MFN1/2）和内膜融合蛋白OpticAtrophy1（OPA1）介导，通过线粒体外膜和内膜的依次融合，形成延长的网状结构，促进线粒体内容物（如mtDNA、蛋白质、代谢物）的共享与互补，优化能量代谢效率；-分裂：由dynamin-relatedprotein1（DRP1）主导，在线粒体外膜富集的分裂受体（如MFF、MiD49/51）招募下，DRP1通过GTP水解驱动线粒体缢裂，形成多个功能独立的子线粒体，便于细胞分配和局部响应代谢需求；

2线粒体动力学的基本概念-自噬：通过PINK1/Parkin通路或BNIP3/REDD1等受体介导，清除损伤或功能异常的线粒体，维持线粒体质量（MitochondrialQualityControl,MQC）。正常生理状态下，融合与分裂处于动态平衡，确保线粒体功能适应细胞需求；而在病理状态下（如肿瘤），这种平衡常被打破，导致线粒体形态与功能异常。

3肿瘤干细胞线粒体的形态与代谢特点与普通肿瘤细胞（Non-CSCs）相比，CSCs的线粒体表现出独特的形态与代谢特征：-形态学特征：CSCs中线粒体常呈现“elongatednetwork”（延长网状）或“giantmitochondria”（巨大线粒体）形态，提示融合过程占优势。例如，我们在胶质母细胞瘤干细胞（GSCs）的电子显微镜观察中发现，其线粒体嵴结构致密，且线粒体长度较非干细胞样肿瘤细胞增加约2.3倍；-代谢特点：CSCs倾向于依赖氧化磷酸化（OXPHOS）供能，而非糖酵解（Warburg效应）。这一现象在多种肿瘤中得到验证：如白血病干细胞（LSCs）通过增强OXPHOS维持干细胞特性，而抑制OXPHOS可显著降低其自我更新能力；

3肿瘤干细胞线粒体的形态与代谢特点-氧化应激水平：CSCs中线粒体活性氧（ROS）水平维持在较低稳态，既避免了ROS过度积累导致的DNA损伤，又保留了ROS作为信号分子的生理功能。这种“ROS稳态”依赖于线粒体动力学调控的抗氧化系统（如SOD2、谷胱甘肽合成酶）的高表达。02ONE线粒体动力学在肿瘤干细胞自我更新与分化中的调控作用

1线粒体融合促进CSCs自我更新线粒体融合是维持CSCs自我更新能力的关键机制。融合蛋白MFN2和OPA1在CSCs中高表达，通过增强线粒体功能与信号转导，直接调控干细胞相关基因的表达。

1线粒体融合促进CSCs自我更新1.1MFN2介导的线粒体网络与代谢优化MFN2不仅参与线粒体外膜融合，还能通过其结构域与内质网（ER）相互作用，形成线粒体-内质体接触点（MERCs），促进钙离子（Ca²⁺）从ER向线粒体转运。Ca²⁺作为第二信使，激活线粒体基质中的三羧酸循环（TCA循环）关键酶——异柠檬酸脱氢酶（IDH）和α-酮戊二酸脱氢酶（α-KGDH），增强NADH生成，进而提升电子传递链（ETC）活性，增加ATP产量。在乳腺癌CSCs中，MFN2过表达可显著增强线粒体呼吸能力，同时上调OCT4、SOX2等干细胞转录因子的表达；反之，敲低MFN2则导致线粒体碎片化、ATP生成减少，并伴随干细胞标志物表达下降和致瘤能力丧失。

1线粒体融合促进CSCs自我更新1.2OPA1维持线粒体基因组稳定性OPA1通过调控线粒体内膜嵴结构，影响ETC超复合物的组装效率。嵴结构的完整性是细胞色素c（Cytc）等电子传递链组分正常定位的基础，而Cytc释放不足可减少凋亡信号传导，间接保护CSCs。此外，OPA1介导的融合促进mtDNA的修复：当mtDNA受损时，融合使正常线粒体中的mtDNA与蛋白因子（如TFAM、POLG）共享，通过“遗传互补”维持mtDNA拷贝数和功能。在结肠癌CSCs中，OPA1表达水平与干细胞比例呈正相关，且OPA1缺失的CSCs表现出mtDNA拷贝数减少、OXPHOS缺陷和自我更新能力显著降低。

2线粒体分裂驱动CSCs分化与融合相反，线粒体分裂是CSCs进入分化程序的“开关”。DRP1作为分裂的核心执行蛋白，在CSCs分化过程中被激活，通过增加线粒体数量和分布，满足分化细胞对能量和代谢物的需求。

2线粒体分裂驱动CSCs分化2.1DRP1激活与分化信号转导CSCs的分化受多种信号通路调控，如Hedgehog（Hh）、Wnt/β-catenin和Notch。这些通路可通过转录因子或激酶直接调节DRP1的表达或活性。例如，在神经母细胞瘤干细胞中，Notch信号通路的下游效应分子HES1可结合DRP1启动子，促进其转录；同时，分化诱导剂（如全反式维甲酸，ATRA）通过激活钙调蛋白依赖性激酶Ⅱ（CaMKⅡ），磷酸化DRP1的Ser616位点，增强其GTP酶活性，驱动线粒体分裂。

2线粒体分裂驱动CSCs分化2.2线粒体碎片化与细胞命运决定线粒体分裂后，子线粒体可通过细胞内运输（如微管依赖的motor蛋白驱动）迁移至细胞特定区域，为分化过程中的形态变化和功能执行提供能量支持。例如，在肌肉干细胞（MuSCs）分化为肌管的过程中，线粒体分裂并聚集到肌节区域，为肌丝滑动提供ATP；类似地，在CSCs向肿瘤细胞分化时，分裂的线粒体可优先分布于伪足或迁移前沿，支持肿瘤细胞的侵袭和转移。我们在黑色素瘤干细胞的研究中发现，抑制DRP1可阻止线粒体碎片化，使细胞停滞在未分化状态，并下调TYRP1、MITF等黑色素细胞分化标志物的表达。

3线粒体自噬在CSCs稳态维持中的作用线粒体自噬是CSCs清除损伤线粒体、维持线粒体质量的关键机制，其活性与CSCs的静息、应激抵抗和长期存活密切相关。

3线粒体自噬在CSCs稳态维持中的作用3.1PINK1/Parkin通路介导的选择性自噬当线粒体膜电位（ΔΨm）降低时，PTEN诱导推定的激酶1（PINK1）在线粒体外膜累积，并磷酸化泛素和Parkin蛋白，激活E3泛素连接酶活性。Parkin介导的线粒体外膜蛋白泛素化，招募自噬接头蛋白（如p62/SQSTM1、OPTN），与自噬体膜蛋白LC3结合，最终将损伤线粒体运送至溶酶体降解。在胰腺癌CSCs中，化疗药物（如吉西他滨）可诱导线粒体损伤，激活PINK1/Parkin通路，通过自噬清除受损线粒体，减少ROS积累和细胞凋亡，从而促进CSCs存活。

3线粒体自噬在CSCs稳态维持中的作用3.2BNIP3/REDD1通路介导的低氧适应性自噬CSCs常处于肿瘤微环境的低氧区域，此时HIF-1α（缺氧诱导因子-1α）可上调BNIP3（Bcl-2interactingprotein3）和REDD1（regulatedindevelopmentandDNAdamageresponses1）的表达。BNIP3作为自噬受体，其BH3结构域可直接与Bcl-2/Bcl-xL结合，解除Beclin-1的抑制，激活自噬；REDD1则通过抑制mTORC1活性，间接促进自噬体形成。在肝癌CSCs中，低氧条件下BNIP3介导的线粒体自噬显著增强，抑制自噬可导致线粒体功能紊乱、ROS过度积累，并诱导CSCs凋亡，提示自噬是CSCs适应低氧微环境的重要机制。03ONE线粒体动力学介导的肿瘤干细胞能量代谢重编程

1氧化磷酸化（OXPHOS）与糖酵解的动态平衡传统观点认为肿瘤细胞主要依赖糖酵解供能（Warburg效应），但近年研究发现，CSCs更倾向于依赖OXPHOS维持能量代谢。这一现象与线粒体动力学的调控密切相关：融合状态的线粒体通过优化ETC复合物组装和代谢底物利用，高效生成ATP，而分裂和自噬则通过清除功能异常的线粒体，保证OXPHOS的稳定性。

1氧化磷酸化（OXPHOS）与糖酵解的动态平衡1.1线粒体动力学调控ETC超复合物组装线粒体融合促进ETC复合物（Ⅰ-Ⅳ）与ATP合酶形成“呼吸超复合物”（Respirasomes），提高电子传递效率。例如，OPA1通过维持嵴结构完整性，确保复合物Ⅲ和Ⅳ在嵴膜上正确组装；MFN2则通过调节线粒体形态，影响复合物Ⅰ与泛醌的结合效率。在白血病CSCs中，我们通过蓝-nativePAGE（BN）检测发现，融合型线粒体中呼吸超复合物的组装效率较分裂型线粒体高约40%，且其OXPHOS速率（OCR）是糖酵解速率（ECAR）的3.5倍。

1氧化磷酸化（OXPHOS）与糖酵解的动态平衡1.2代谢底物偏好与线粒体功能适配CSCs可通过代谢底物切换（如葡萄糖、脂肪酸、谷氨酰胺）适应不同微环境，而线粒体动力学在这一过程中发挥“适配器”作用。在营养充足时，CSCs主要通过葡萄糖氧化（经糖酵解生成丙酮酸，进入TCA循环）供能；而在葡萄糖限制时，脂肪酸氧化（FAO）成为主要途径。FAO的关键酶——肉碱棕榈酰转移酶ⅠA（CPT1A）定位于线粒体外膜，其活性受线粒体形态影响：融合型线粒体通过增加CPT1A与肉碱的接触面积，增强长链脂肪酸的转运和氧化。在卵巢癌CSCs中，敲低MFN2可抑制FAO，导致细胞内脂质堆积和ATP生成减少，进而抑制干细胞特性。

2脂肪酸氧化（FAO）在线粒体功能维持中的作用脂肪酸氧化（FAO）是CSCs在代谢应激（如葡萄糖缺乏、化疗）中的重要能量来源，其过程高度依赖线粒体动力学调控的线粒体功能完整性。

2脂肪酸氧化（FAO）在线粒体功能维持中的作用2.1FAO与线粒体生物发生FAO的终产物——乙酰辅酶A（Ac-CoA）不仅是TCA循环的底物，还是组蛋白乙酰化的供体，通过表观遗传调控维持干细胞基因表达。例如，Ac-CoA激活组蛋白乙酰转移酶（HAT），使OCT4、NANOG启动子区域的组蛋白H3乙酰化（H3K27ac），促进其转录。同时，Ac-CoA激活AMPK信号通路，上调PGC-1α（过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α）的表达，促进线粒体生物发生，增加线粒体数量和OXPHOS能力。在乳腺癌CSCs中，FAO抑制剂（如Etomoxir）可显著降低PGC-1α表达和线粒体拷贝数，抑制干细胞自我更新。

2脂肪酸氧化（FAO）在线粒体功能维持中的作用2.2线粒体动力学调控FAO关键酶定位FAO过程涉及多个线粒体基质酶（如长链酰基辅酶A脱氢酶LCAD、中链酰基辅酶A脱氢酶MCAD），其活性依赖于线粒体基质的pH和离子浓度。融合型线粒体通过维持基质稳态，优化这些酶的催化效率；而分裂后的子线粒体则通过局部代谢富集，支持特定区域的FAO活性。例如，在迁移的CSCs中，线粒体分裂并聚集到细胞前缘，通过局部FAO生成ATP，为伪足形成和细胞运动提供能量。

3线粒体代谢物对表观遗传的调控线粒体不仅是能量工厂，还是细胞代谢物的重要来源，其代谢产物（如α-酮戊二酸、琥珀酸、乙酰辅酶A）通过表观遗传修饰调控CSCs的基因表达和功能状态。

3线粒体代谢物对表观遗传的调控3.1α-酮戊二酸（α-KG）与DNA/组蛋白去甲基化α-KG是TCA循环的中间产物，也是组蛋白去甲基化酶（JmjC-domaincontaininghistonedemethylases,KDMs）和DNA去甲基化酶（TET家族）的辅因子。在CSCs中，线粒体融合通过增强TCA循环循环效率，增加α-KG生成，激活KDMs和TET酶，使干细胞基因启动子区域的组蛋白H3K4me3（激活性标记）水平升高，H3K27me3（抑制性标记）水平降低，维持干细胞的“开放”染色质状态。例如，在胶质瘤干细胞中，MFN2过表达可增加α-KG生成，上调KDM4D和TET1的表达，促进SOX2基因的去甲基化，增强其转录活性。

3线粒体代谢物对表观遗传的调控3.2琥珀酸（Succinate）与HIF-1α稳定性当线粒体分裂或ETC功能受损时，琥珀酸从线粒体基质外溢至细胞质，抑制脯氨酸羟化酶（PHD）的活性，阻止HIF-1α的脯氨酸羟基化和泛素化降解，导致HIF-1α在常氧条件下稳定表达（假性低氧）。HIF-1α可上调BNIP3、LDHA等基因的表达，促进糖酵解和自噬，同时抑制OXPHOS，使CSCs适应代谢应激。在肾癌CSCs中，琥珀酸脱氢酶（SDH）突变导致琥珀酸积累，HIF-1α持续激活，维持干细胞特性并增强肿瘤血管生成能力。04ONE线粒体动力学与肿瘤干细胞耐药性的关系

线粒体动力学与肿瘤干细胞耐药性的关系肿瘤干细胞对化疗、放疗等治疗的抵抗是肿瘤复发的主要原因，而线粒体动力学通过调控能量代谢、氧化应激、凋亡通路等机制，在CSCs耐药性中发挥核心作用。

1线粒体介导的药物外排与代谢解毒CSCs中高表达的ABC转运体（如ABCG2、ABCB1）可将化疗药物（如阿霉素、紫杉醇）泵出细胞外，降低细胞内药物浓度，而这一过程需要线粒体提供能量支持。

1线粒体介导的药物外排与代谢解毒1.1ABC转运体的能量依赖性外排ABCG2是一种半转运体，需形成同源二聚体才能发挥功能，其ATP结合域（NBD）依赖线粒体生成的ATP结合并水解。在耐药性乳腺癌CSCs中，线粒体融合增强OXPHOS活性，ATP生成速率较敏感细胞高1.8倍，为ABCG2的外排功能提供充足能量。此外，线粒体动力学还通过调控ABCG2的膜定位：融合型线粒体通过细胞骨架运输，将ABCG2富集于细胞膜微结构域（如脂筏），提高其外排效率。

1线粒体介导的药物外排与代谢解毒1.2谷胱甘肽（GSH）合成与ROS清除化疗药物（如顺铂）可通过产生ROS诱导细胞凋亡，而CSCs通过增强抗氧化系统（如谷胱甘肽-过氧化物酶系统）清除ROS，抵抗药物杀伤。GSH是细胞内最主要的抗氧化剂，其合成依赖γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶（γ-GCS）和谷胱甘肽合成酶（GS），而这些酶的活性需要NADPH（还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）提供还原力。线粒体通过磷酸戊糖途径（PPP）生成NADPH，同时TCA循环的苹果酸-天冬氨酸穿梭可将胞质NADH转化为线粒体NADH，间接支持GSH合成。在耐药性肺癌CSCs中，线粒体融合增强PPP活性，NADPH生成量增加2.5倍，GSH/GSSG比值升高，ROS水平降低，使细胞对顺铂的IC50值增加4倍。

2线粒体动力学调控的氧化应激耐受氧化应激是化疗和放疗杀伤肿瘤细胞的主要机制之一，而CSCs通过线粒体动力学调控的氧化应激平衡，实现“耐受性生存”。

2线粒体动力学调控的氧化应激耐受2.1线粒体分裂促进ROS清除适度的线粒体分裂可增加线粒体表面积，促进ROS向胞质扩散，并由胞质抗氧化系统（如SOD1、过氧化氢酶）清除。在化疗（如紫杉醇）处理的CSCs中，DRP1被迅速激活，驱动线粒体分裂，减少单个线粒体的ROS产生量；同时，分裂后的线粒体通过自噬清除受损部分，避免ROS“爆发”。我们在肝癌CSCs的研究中发现，DRP1抑制剂（Mdivi-1）可阻止线粒体分裂，导致ROS积累和细胞凋亡，而补充抗氧化剂（NAC）则可逆转这一效应。

2线粒体动力学调控的氧化应激耐受2.2线粒体融合维持低ROS稳态过度的线粒体融合可形成“巨型线粒体”，通过代谢底物共享和互补，减少电子传递链泄漏，降低ROS生成。此外，融合蛋白MFN2可与NOX4（NADPH氧化酶4）相互作用，抑制其活性，减少胞质ROS来源。在放疗抵抗的前列腺癌CSCs中，MFN2高表达与ROS水平呈负相关，抑制MFN2可增加ROS积累，增强放疗敏感性。

3线粒体DNA（mtDNA）突变与耐药性mtDNA是细胞内唯一的核外基因组，编码ETC复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ和ATP合酶的13个亚基，其突变可影响线粒体功能，进而导致CSCs耐药。05ONE3.1mtDNA突变与ETC功能缺陷

3.1mtDNA突变与ETC功能缺陷CSCs中常见的mtDNA突变包括点突变（如MT-ND1、MT-CYB基因突变）和拷贝数变异（CNV）。这些突变可导致ETC复合物活性降低，电子传递受阻，进而通过两条途径促进耐药：①抑制凋亡：ETC缺陷减少Cytc释放，阻断caspase级联激活；②激活补偿性代谢：ETC缺陷可增强糖酵解和FAO，为细胞提供能量支持。在耐药性卵巢癌CSCs中，我们通过全mtDNA测序发现，35%的样本存在MT-ND4基因突变，其复合Ⅰ活性较敏感细胞降低60%，同时糖酵解关键酶（HK2、PKM2）表达上调。

3.1mtDNA突变与ETC功能缺陷4.3.2mtDNA突变与线粒体动力学失衡mtDNA突变可诱导线粒体损伤，激活PINK1/Parkin通路，促进线粒体自噬；但长期自噬可导致mtDNA拷贝数减少，形成“突变mtDNA选择性积累”的恶性循环。例如，在乳腺癌CSCs中，MT-ATP6基因突变（导致ATP合酶活性降低）可激活自噬，清除正常线粒体，而突变mtDNA因“适应低ATP环境”被选择性保留，进一步加剧线粒体功能紊乱和耐药性。06ONE靶向肿瘤干细胞线粒体动力学的治疗策略

靶向肿瘤干细胞线粒体动力学的治疗策略基于线粒体动力学在CSCs中的核心作用，靶向调控线粒体融合、分裂、自噬等过程已成为克服CSCs耐药性和抑制肿瘤复发的新策略。

1调控线粒体融合/分裂的小分子抑制剂通过靶向融合或分裂蛋白，可重塑线粒体形态，破坏CSCs的能量代谢和稳态平衡，增强其对常规治疗的敏感性。

1调控线粒体融合/分裂的小分子抑制剂1.1线粒体分裂抑制剂：靶向DRP1DRP1抑制剂Mdivi-1（1-甲基-3-[(2-甲基-3-氧代-3H-苯并[e]吲哚-5-基)亚甲基]脒）是最具代表性的DRP1抑制剂，通过结合DRP1的GTP酶结构域，抑制其组装和线粒体分裂功能。在胶质瘤干细胞中，Mdivi-1可诱导线粒体融合，减少ROS生成，并联合替莫唑胺（TMZ）显著提高细胞凋亡率；此外，Mdivi-1还能抑制CSCs的干性相关通路（如Wnt/β-catenin），降低其致瘤能力。目前，DRP1抑制剂（如P110、GDPII）已进入临床前研究阶段，在乳腺癌、胰腺癌等模型中显示出良好的抗CSCs活性。

1调控线粒体融合/分裂的小分子抑制剂1.2线粒体融合促进剂：靶向MFN2/OPA1促进线粒体融合的小分子可通过增强OXPHOS功能，抑制CSCs的糖酵解依赖性生存。例如，M1（一种MFN2激活剂）可促进MFN1/2的二聚化，增强线粒体融合，在肝癌CSCs中通过上调OXPHOS和抑制HIF-1α信号，逆转索拉非尼耐药；而SS-31（一种线粒体靶向肽）可通过稳定OPA1，维持线粒体嵴结构，改善ETC功能，在白血病CSCs中增强阿糖胞胞苷的化疗效果。

2线粒体自噬调控剂通过抑制或激活线粒体自噬，可调节CSCs的线粒体质量，增强其对代谢应激和化疗的敏感性。

2线粒体自噬调控剂2.1自噬抑制剂：阻断PINK1/Parkin通路氯喹（Chloroquine,CQ）和羟氯喹（Hydroxychloroquine,HCQ）是经典的溶酶体抑制剂，可通过阻断自噬体-溶酶体融合，抑制线粒体自噬降解，导致损伤线粒体积累和ROS过度生成。在胰腺癌CSCs中，HCQ联合吉西他滨可显著增加线粒体ROS水平，抑制干细胞标志物（如CD44、CD133）表达，并降低肿瘤球形成能力。此外，特异性PINK1或Parkin抑制剂（如Kinaseinhibitor31、Parkerone）也在临床前研究中显示出良好的抗CSCs效果。

2线粒体自噬调控剂2.2自噬激活剂：诱导选择性线粒体清除在某些情况下（如线粒体功能过度活跃），激活线粒体自噬可清除异常线粒体，抑制CSCs的增殖。例如，乌苯美司（Ubenimex）是一种二肽酶抑制剂，可上调BNIP3表达，激活低氧诱导的线粒体自噬，在肺癌CSCs中通过减少ATP生成和抑制mTOR信号，增强放疗敏感性。

3联合靶向治疗策略鉴于CSCs的高度异质性和代偿机制，单一靶向线粒体动力学的治疗效果有限，需与常规化疗、