背景：
线粒体DNA (mtDNA)突变是所有肿瘤中最常见的遗传事件之一，并直接影响代谢稳态。尽管线粒体在能量代谢和细胞生理中发挥核心作用，但肿瘤线粒体基因组突变的作用一直存在争议。直到最近，由于缺乏足够的肿瘤mtDNA测序数据和可用的线粒体基因组工程方法，mtDNA变异体的基因组和功能研究受到阻碍。这些障碍和围绕肿瘤中mtDNA突变的功能影响的概念雾已经开始消除，揭示了一条理解这一基本代谢基因组在癌症起始和进展中的作用的途径。
简介：
2022年8月，来自英国格拉斯哥大学癌症科学研究所的Payam A. Gammage教授课题组在Trends in Cancer（一区）杂志上发表题为“Mitochondrial DNA is a major source of driver mutations in cancer”的文章[1]。在本文中，作者讨论了mtDNA的历史，最近的发展，以及线粒体癌遗传学仍然面临的挑战，因为一种新的主要的癌症相关突变的影响被揭示。
主要结果：
癌症中mtDNA突变的情况。
1956年，Otto Warburg提出功能失调的线粒体负责在肿瘤细胞中葡萄糖的发酵分解代谢转化为乳酸，并在有氧条件下缺乏呼吸。尽管几十年的研究已经发现了许多非mtDNA突变介导的有氧糖酵解的机制原因，包括代谢调节因子的体细胞突变和有利于乳酸生成的酶的选择性表达/调节，这些发现与肿瘤中明显致病的mtDNA突变大量存在的观察密切相关。关于肿瘤中mtDNA突变的最早描述之一来自Polyak和他的同事，他们报告了在少量结直肠癌细胞系中似乎存在同源性突变。从那时起，大量的研究描述了mtDNA中大量的体细胞突变和主要的异质性突变。最全面的研究分析了ICGC/泛癌症全基因组分析(PCAWG)的全基因组测序，圣犹大儿童医院的儿童肿瘤全基因组测序，以及癌症基因组图谱(TCGA)的各种成人癌症的外显子组测序。
癌症相关mtDNA突变的选择性压力。
关于癌症中的体细胞mtDNA变异是否构成了真正的驱动突变，有助于肿瘤的适应度，或者它们只是代表了对肿瘤生理具有中性或非适应度修改影响的乘客改变，目前仍存在争议。在接下来的章节中，作者试图通过讨论(i)支持和反对体细胞mtDNA突变的选择性压力的证据，以及(ii) mtDNA突变在癌症中的功能意义的证据来解开这个争议。
体细胞mtDNA突变的选择压力。
在评估影响mtDNA蛋白质编码基因的癌症中体细胞突变的正向和负向选择压力的程度时，先前的研究主要关注三个互补的证据:(i)非同义突变与同义突变的比值(dN/ dS)， (ii)非同义突变和截断突变的等位基因频率，以及(iii)复发突变或“热点”的识别。至少有三个独立的分析对dN/dS进行了检验，dN/dS是一种选择的定量测量，在正选择压力的情况下，它的值超过1，而在负选择压力的情况下，它的值低于1。蛋白质编码mtDNA突变的表观dN/dS最初被确定为高(~4)，表明突变的选择压力较强且为正。然而，另一项研究警告说，由于mtDNA在漫长的进化过程中面临着强烈的C＞T/T＞C突变偏差，因此可接受的沉默突变的数量已被系统地消除。
mtDNA突变中尚未解决的功能意义和暗物质。
体细胞mtDNA突变一旦出现，其功能后果是什么?相对于mtDNA突变模式的丰富数据，这些相同突变等位基因的功能后果的数据相对较少。随着细胞质杂交(hybrid)细胞的增多，无mtDNA的ρo细胞与含有突变mtDNA的细胞质融合而产生的克隆嵌合体，许多研究试图通过实验验证mtDNA突变在癌症中的功能。例如，mtDNA的MT-ATP6基因的致病性突变产生ROS并促进肿瘤生长。mtDNA突变也被发现导致ROS水平和转移潜力的增加。然而，原发肿瘤生长速度的增强与高转移潜能并不相关，这表明转移潜能是通过增加ROS水平间接调节的。当应激下细胞存活的增加导致MT-ND5的异质性突变增强致瘤性时，由于mtDNA突变而增加的ROS水平和致瘤性被进一步证实。然而，作者也强调了异质性水平在这些突变功能中的重要性，因为同一位点上的MT-ND5同质性突变会导致凋亡率增加并抑制致瘤性。这一发现归因于ATP的产生有限，这导致了凋亡的效力增加。然而，这可能取决于几个因素，如突变类型，组织分布和组织类型。
图1：线粒体DNA (mtDNA)基因型变异的层次
通过线粒体基因组工程对mtDNA突变进行功能性检测的现有和正在出现的机会。
线粒体遗传学研究的一个关键限制是缺乏可靠和强大的mtDNA编辑工具。在现代，我们对核致癌基因和肿瘤抑制因子的大部分理解来自于执行正向和反向遗传学以确定特定癌症相关基因的功能的能力。由于RNA导入和mtDNA修复的线粒体机制的差异，将一些核基因组编辑工具(如CRISPR)定位于mtDNA已被证明是不成功的，但过去5年已经产生了一个mtDNA编辑工具包，由工程酶组成，可在体外和体内转移异质体或诱导突变。虽然任意操纵mtDNA序列仍然难以捉摸，但这些工具具有极大的潜力，可以增强我们对癌症中mtDNA的认识。
用来改变异质性的酶最初是在一个没有更好选择的领域里的一种好奇。这些最初是一小部分线粒体靶向限制性内切酶(mtREs)，只能靶向正则正则靶位点。虽然这些酶的作用范围非常有限，但这种方法激发了可工程DNA靶特异性的异质性转移的进一步发展，产生了线粒体靶向锌指核酸酶(mtZFNs)、线粒体靶向转录激活子样效应核酸酶(mitoTALENs)和巨核酶。这些嵌合酶的工作原理是结合到目标位点并诱导双链断裂。线性化的mtDNA通过MGME1和复制线粒体Polγ的联合外核溶解过程迅速降解。剩下的mtDNA分子，大部分将是野生型，复制以恢复稳态拷贝数，从而改变异质性。尽管在现有的线粒体突变模型系统中改变异质性的能力受到限制，但在癌症代谢的研究中已被证明是有用的。事实上，mtZFNs已被用于改变m.8993T＞G骨肉瘤细胞中的突变负载，产生具有不同水平突变异质性的等基因细胞系，称为mTUNE。该模型系统允许识别具有高度线粒体功能障碍的细胞所采用的细胞代谢策略，通过苹果酸脱氢酶，谷氨酰胺的胞质还原羧化作用使NAD+循环，支持糖酵解通量，增强细胞增殖和迁移。因此，操纵mtDNA揭示了线粒体功能障碍最终如何改变癌细胞的生长和运动。
图2：线粒体DNA单细胞测序(mtDNA)
异质体转移方法的一个主要限制是它们只能处理已经存在的异质体。为了对癌症中的线粒体遗传学进行彻底的评估，仍然需要从头引入mtDNA等位基因的方法。近年来，胞嘧啶脱氨酶mitoAPOBEC1和Ddda衍生的胞嘧啶碱基编辑器(DdCBEs)被用于解决这一问题。mitoAPOBEC1是大鼠APOBEC1的线粒体靶向形式，APOBEC1是一种强效胞嘧啶脱氨酶，能够在mtDNA中引入C:G＞T: A转变。mitoAPOBEC1的表达随机诱导点突变，对mtDNA拷贝数没有显著影响，这些突变由于线粒体功能障碍而对果蝇的机体适应性产生负面影响。因此，mitoAPOBEC1有潜力用于研究mtDNA点突变对疾病的影响。然而，mitoAPOBEC1是一个随机突变体，类似于易出错的mtDNA Polγ，因此被限制在正向筛选方法中使用。
图3：目前编辑动物线粒体DNA (mtDNA)的方法
最近，第一个可靠的，靶向的mtDNA突变方法被报道。该系统利用DdCBEs，它由分裂的细菌间毒素DddAtox、TALE DNA结合结构域和尿嘧啶糖基化酶抑制剂组成。由于DddAtox酶的底物偏好，DdCBEs可以在特定的序列背景下诱导C＞T点突变，其中一个T必须是靶c的5 '。在一项概念验证研究中，在MT-ND4中诱导m.11 922G＞A突变，以模拟在罕见肾脏和甲状腺肿瘤的复合体I中看到的突变。由于活性降低，这些具有高突变负荷的细胞显示了复合物I组装和OXPHOS的减少。ddcbe也被应用于体内，分别将突变m.12 539C＞T和m.12 542G＞A引入复合物I中，创造出具有沉默突变的小鼠胚胎。胚胎在出生后50天内仍保持这些突变，并可转移给后代。然而，有害突变的同样传播尚未被证实。DdCBEs最近也被用于通过腺相关病毒编辑靶器官的mtDNA。虽然DdCBEs具有重要的效用，但它受到许多限制，包括(i)它们通过TALE结构域与目标DNA结合的效率，(ii)序列特异性突变偏差，以及(iii)脱靶突变，包括在目标位点内和整个线粒体基因组内，尽管这些限制可以通过后续进化和优化解决。然而，作为唯一能够诱导靶向mtDNA突变的平台，它们可以开始应用于创建模型系统，从而揭示mtDNA突变在癌症中的作用。
图4：癌细胞中有害异质体选择的模型
结论和展望：
如今，线粒体癌遗传学领域正站在一个十字路口：尽管过去十年中，大多数癌症中发现的mtDNA突变在功能上的作用得到了加强，但它主要依赖于患者基因组学和临床数据。为了梳理在群体水平上观察到的复发和选择模式的潜在机制，这些日益丰富的观察数据需要用严格的实验方法加以补充。对mtDNA突变在癌症中功能作用的实验支持没有跟上过去十年基因组发展的步伐，仍然受到缺乏良好控制的模型系统的影响。最近的一些实验报告表明，在mtDNA突变的背景下，癌细胞的特征发生了改变，这是令人鼓舞的，尽管这距离确定相关机制或弱点还有一段距离。两种不断发展的技术之间的协同作用，一种用于mtDNA的直接编辑，另一种用于单细胞水平的异质性mtDNA等位基因的高分辨率表型查询，将预示着线粒体癌遗传学新时代的黎明，因为线粒体突变过程的各种影响被确定，一个尚未开发的治疗机会被揭示。
原文链接：https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S2405-8033(22)00172-8
转自：“生物医学科研之家”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
