癌细胞线粒体DNA漂移的分子机理

　　通过对57例结肠癌患者的基因组进行基因分析，研究人员发现患者体细胞核内的平均线粒体DNA数量比健康人高4.42倍。“这表明，迁移到核基因组中的线粒体DNA可能对癌症的发展起重要作用，”本文的共同作者，来自UAB公共卫生学院的生物统计学教授Hemant K. Tiwari博士和UAB医学院遗传学教授Keshav K. Singh博士说道。

　　几乎所有高等真核细胞中都存在着大量的线粒体，它们是细胞的能量泵，昼夜不停地制造细胞燃料ATP。人类基因组位于细胞核内。线粒体位于细胞质内，但是它仍然自主拥有37个基因。

　　过了亿万年，线粒体的DNA片段已经自然地插入真核基因组。例如人类生殖细胞约含有755-1155个线粒体DNA插入，这些线粒体DNA已经被代代相传。从人类生殖细胞中的这些线粒体片段我们可以发现，它们的物种来源极为广泛，不仅可以看到我们人类自己的DNA，也能找到植物、酵母、疟疾、寄生虫、线虫等其他物种的DNA。

　　除了线粒体DNA外，整个线粒体（包括线粒体蛋白、线粒体RNA等）都能在细胞核基因组中找到相应的序列。有关体细胞（非生殖细胞）线粒体基因对人类健康和疾病的影响和作用仍处于待开发状态。来自UAB的研究小组发现肿瘤细胞基因组内线粒体DNA含量升高，说明癌症发展过程中，存在体细胞细胞质的线粒体DNA向细胞核内插入的情况。

　　女性结肠癌患者基因组中线粒体DNA平均拷贝数明显高于男性患者。预示着线粒体DNA的增加或导致较低的存活率。有关这点推断，科学家们表示接下来将接受来自更大样本量检测的验证。

　　体细胞线粒体DNA插入似乎与基因组内片段的富集相关，研究人员绘制了一幅线粒体基因组向细胞核基因组内迁移的生物多样性热点（hotspots）图，试图寻找线粒体DNA迁移的分子切入点。

　　切入点——酵母

　　有研究报道酵母YME1能够强烈抑制线粒体DNA向酵母基因组中迁移。人类YME1L1基因与酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）基因中的YME1同源。根据之前的报道，由于线粒体由分别来自细胞核基因组的2000种蛋白质和来自线粒体基因组的13种蛋白质组成，YME1L1基因产物主要负责协调和保护线粒体装配顺利进行。人类YME1L1基因是否具有相同作用？答案是未知。

　　作为间接证据，UAB的研究人员发现，在57个结肠癌基因组中，16%的基因组DNA出现YME1L1基因突变。通过分析来自癌症基因组地图数据库（Cancer Genome Atlas database）的大量数据，发现结肠癌患者以及其他癌症患者基因组中的YME1L1突变异常增多。

　　于是，UAB研究小组使用人类细胞系作为研究模型，敲除了YME1L1基因，结果导致细胞核提取液中线粒体DNA明显增多。这一报道首次证实了人类YME1L1能够抑制线粒体DNA插入细胞核，YME1L1的活性丧失加速了线粒体DNA向细胞核内迁移。

　　接下来，研究人员在酵母线粒体DNA中插入了一种蛋白质标记，该种蛋白只能在细胞核内进行转录。酵母YME1突变后，蛋白质标记物的表达升高了20倍。使用人类YME1L1对突变型YME1进行补回实验，实验结果显示人类YME1L1基因能够阻止酵母线粒体DNA向细胞核的迁移。

　　研究人员将线粒体DNA的这种迁移作用命名为numtogenesis（线粒体遗传漂移）。

　　Singh实验室和亚利桑那州立大学植物病理学系Bernd Friebe实验室在另外一篇杂志（Analytical Biochemistry）上报道了一种快速检测和分析numtogenesis的分子工具。

　　目前numtogenesis的检测仍依赖于“深度测序”和“全基因组计算机分析”的综合技术手段，耗时、繁琐、且成本高昂。本篇文章的通讯作者Singh和第一作者Dal-Hoe Koo（堪萨斯州立大学）开发了一种单分子线粒体纤维-FISH技术（single-molecule mitochondrial Fiber-FISH technique）。荧光原位杂交（fluorescence in situ hybridization，FISH）是一种以荧光标记原位杂交方法。他们最新的改良FISH提供了更高分辨率的基因和染色质区域的单纤维DNA的测量，并且，它以1000bp的分辨率定位对线粒体DNA探针。

　　“这项新技术将有助于区分和检测癌症的分期和进程，有助于阐明肿瘤发生的基本机制，还有助于癌症早期诊断、筛查和风险评估。”