摘要

線粒體代謝必須不斷適應壓力條件，以維持與細胞功能相關的生物能量水平。這種缺乏適當適應的情況在包括癌癥在內的多種疾病中都可以看到。代謝適應需要線粒體功能，并利用線粒體儲備來滿足日益增長的需求。在線粒體呼吸參數中，儲備呼吸能力 (SRC) 是評估線粒體儲備的特別強大的功能參數。我們概述了潛在的 SRC 機制和調節，重點介紹了其在癌細胞中的特殊意義。

引言

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線粒體代謝是細胞功能動態環境中不可或缺的一部分。一般來說，線粒體呼吸作用處于基礎水平，足以滿足日常需求，例如維持蛋白質周轉和離子穩態。根據細胞狀況，能量需要定期上升和下降，因此需要精細調節 ATP 生成，以避免無用的能量消耗，并完美滿足細胞需求。為了實現能量適應，呼吸速率受到 ATP 需求的嚴格控制，當需要時，線粒體呼吸作用可以突然增加到最大水平以合成更多的 ATP。有趣的是，基礎水平代表最大呼吸能力的一個可變部分，這取決于細胞類型。例如，據觀察，肝細胞僅使用其最大呼吸能力的約 30% 來維持基礎呼吸。1 基礎呼吸和最大呼吸之間的差異構成了線粒體儲備（ 圖 1 ） 。使用了各種術語，例如解偶聯控制率、 2 線粒體儲備能力 3 或線粒體備用呼吸能力 4。后者“備用呼吸能力”（SRC）將在整個綜述中使用。線粒體功能是一個高度動態的過程，細胞可以在需要時調動 SRC。因此，SRC 表征了線粒體在急性細胞應激或繁重工作負荷下滿足超出基礎水平的額外能量需求的能力，從而避免 ATP 危機。2 SRC 可被視為線粒體適應性的指標，是“健康”線粒體的反映 1 (圖 1 )。耐力訓練和熱量限制可以提高 SRC 水平。因此，在需要最多能量的“氧化組織”（如心臟、大腦或肌肉）中，將 SRC 作為線粒體適應性的標志物可能具有驚人的相關性。

圖1A， 上部使用 Seahorse XFe24 測定耗氧率 (OCR) 值后獲得的線粒體呼吸參數示意圖。注射寡霉素和 FCCP 后確定備用呼吸能力。備用呼吸能力的相對值通過以下計算確定：最大 OCR /（基礎 OCR *100）； 下部在寡霉素和 FCCP 之前（偶聯狀態）和之后（非偶聯狀態）的線粒體呼吸鏈功能示意圖。FCCP 允許質子重新進入線粒體，從而短路 ATP 合酶。寡霉素抑制 ATP 合酶，阻止其逆向操作；B，線粒體健康示意圖：與備用呼吸能力水平低的細胞不同，備用呼吸能力水平高的細胞對壓力條件的適應性更高

此外，SRC 水平與線粒體的可塑性程度相關，線粒體可塑性允許生物能量適應病理生理應激條件。5 SRC 水平不足與病理狀況有關。低 SRC 水平可能與基礎條件下不可見的線粒體功能障礙相對應，但只有當呼吸速率接近其上限時才會顯現出來。3 SRC 耗竭與多種心血管和神經系統慢性疾病有關。事實上，SRC 水平不足以產生所需的能量，應激細胞會遭受 ATP 危機，遭受痛苦，然后面臨細胞死亡的風險。2 此外 ，最近的證據表明，線粒體儲備也可能在癌細胞代謝中發揮重要作用（見下文）。事實上，已經確定糖酵解不是癌細胞獨特的代謝表型，線粒體代謝可以為腫瘤發生、轉移發展和癌癥耐藥性的產生提供能量和合成代謝需求。

總體而言，SRC 是參與細胞增殖、分化和死亡代謝途徑動態的重要參數，影響非轉化細胞和癌細胞。在所有線粒體參數中，SRC 具有明顯的優勢，因為它具有低變異性和高靈敏度。4 臨床研究表明，SRC 是一個可重復的內部標準化參數，并且可能與確定線粒體適應性有關。

在本綜述中，我們將討論有關線粒體呼吸儲備能力的新興概念。具體來說，我們將解決以下問題：如何定期評估 SRC？在細胞環境中，SRC 是如何維持的？SRC 在非轉化細胞和癌細胞中起什么作用和意義？

2. 檢測儲備呼吸能力的方法

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通常，線粒體的呼吸儲備能力是通過血氧測定來確定的。SRC 值是通過從最大氧消耗中減去基礎呼吸而獲得的，最大氧消耗是通過滴定暴露于解偶聯劑（例如羰基氰化物-對三氟甲氧基苯腙 (FCCP)）而獲得（圖 1 ）。FCCP 是一種質子載體，可使質子快速轉位穿過線粒體內膜，從而轉移 FoF1-ATP 合酶的質子通量。由于這種解偶聯效應，對 FCCP 暴露的反應會導致氧消耗急劇增加，以保持質子梯度 。6 因此，SRC 被動員起來以抵消 FCCP 引發的質子泄漏。

從實用角度來看，優化 FCCP 的最佳劑量至關重要，因為這樣可以實現不受控制的呼吸，而不會誘導細胞死亡 。7 需要注意的是，FCCP 濃度需要進一步的劑量優化研究。獲得 SRC 的最佳 FCCP 劑量取決于實驗參數，例如溫度 8 ，過度解偶聯會促進 ROS 依賴性細胞死亡并最終導致能量危機 。9 由于最佳劑量會根據不同的實驗條件而變化，因此最好按順序添加解偶聯劑以達到最大速率（圖 1 ）。

或者，也可以使用溫和的解偶聯劑，例如 2,4-二硝基苯酚 (DNP)、丁羥甲苯 (BHT) 或 Bam15。10、11 這種評估方法的一個缺點是 FCCP 或其他解偶聯劑會人為模擬能量需求，而這些需求不受生理調節 。12 通常，SRC 由寡霉素 A（即 ATP 合酶抑制劑）的存在決定（圖 1 ）。因此，通常 SRC 評估決定最大呼吸能力，而不依賴于 ATP 合酶（圖 1 ）。從這個程度上說，SRC 水平的測量更能表明呼吸抵消質子泄漏的情況，而不是產生 ATP 所需的最大呼吸。此外，抑制 ATP 合酶可以阻止 FoF1-ATPase 的逆操作，從而允許質子以犧牲 ATP 為代價進入膜間隙。13 添加寡霉素還可能限制提供氧化途徑的 ATP 依賴性過程。因此，寡霉素的存在導致對最大呼吸作用的估計嚴重低估，因此 SRC 的估計值在 25% 到 45% 之間 。14 最后，在解釋 SRC 時，必須記住，這些實驗條件排除了質子循環和氧化磷酸化對 O2 消耗的控制的任何影響。

顯然，線粒體在分離時會表現出改變的功能活性。因此，SRC 測定應始終在完整細胞中進行。與分離的線粒體相比，這種情況的優勢在于更能代表體內線粒體的狀態，因為線粒體與細胞其他部分（例如能量通路）的相互作用得以保留。使用實時分析耗氧量的技術進步為在完整細胞培養模型中準確測定 SRC 水平提供了機會（圖 1 ）。

顯然，線粒體在分離時會表現出改變的功能活性。因此，SRC 測定應始終在完整細胞中進行。與分離的線粒體相比，這種情況的優勢在于更能代表體內線粒體的狀態，因為線粒體與細胞其他部分（例如能量通路）的相互作用得以保留。使用實時分析耗氧量的技術進步為在完整細胞培養模型中準確測定 SRC 水平提供了機會（圖 1 ）。

3. 維持儲備呼吸能力的機制

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SRC 取決于多個參數，包括電子傳輸鏈和線粒體內膜的完整性、線粒體氧化能量底物的能力以及線粒體穩態的維持（圖 2 ）。

圖2影響備用呼吸能力水平的因素示意圖。備用呼吸能力主要取決于電子傳遞鏈功能、底物可用性和受上游傳感器調節的線粒體生物合成（詳情見正文）

3.1 SRC 依賴于線粒體電子傳遞鏈的完整性和線粒體內膜的質子通透性

在不同的細胞類型中，SRC 受呼吸鏈成分活性的制約。通過 LIF/STAT3 通路增加復合物 I 的表達可支持小鼠多能胚胎干細胞中的高 SRC 水平。6 在復合物 I 缺乏的成纖維細胞中，琥珀酸輸送可增加 SRC， 12 表明復合物 II 的活性可能取代復合物 I 的活性來維持 SRC。在某些細胞類型（例如心肌細胞）中，即使存在功能齊全的復合物 I，復合物 II 的活性仍是 SRC 維持的主要因素。因此，復合物 II 亞基琥珀酸脫氫酶 A (SDHA) 的抑制可消除 SRC，而不會破壞基礎呼吸速率 。10 與此一致，SDHA 與線粒體伴侶 TRAP1 的選擇性相互作用和抑制也會消除腫瘤細胞中的 SRC。11 根據細胞類型，SRC 不僅受復合物 I 和 II 活性水平的限制。 因此，在髓系白血病細胞中，與正常外周單核細胞相比，復合物 III 的組成性弱酶活性是導致 SRC 水平較低的原因 。13 此外，還觀察到，氧化引起的復合物 IV 酶活性的改變可導致應激條件下心肌細胞的 SRC 水平下降 。14 最后，據報道，呼吸鏈成分在更大的結構中組裝，例如增強復合物催化活性的呼吸超復合物，有助于維持高 SRC 水平 。6

總而言之，根據細胞類型狀態， 7 個線粒體呼吸復合體以及超復合體都可以被視為 SRC 調節的主要目標。

線粒體內膜的質子通透性是決定 SRC 水平的關鍵因素。線粒體內膜對質子的通透性較低，特別是由于存在必需的磷脂心磷脂。這種脂質組成對于形成質子梯度至關重要，而質子梯度是 ATP 合成所必需的。因此，線粒體內膜的完整性對于維持高 SRC 水平至關重要。因此，心磷脂含量的降低會降低 SRC 水平 。8 與此一致，輕度解偶聯導致質子通透性適度增加，從而導致 ROS 生成減少而不影響 ATP 水平，這可能會降低 SRC 水平，可能是通過增加基礎呼吸來實現的 。8、9

3.2 SRC 依賴于線粒體底物的可用性和 TCA 循環活性

SRC 可從 ETC 活動上游進行調節。10 事實上， SRC 受營養物質的流動和性質的影響，這些營養物質可通過 TCA 循環在線粒體基質中氧化。線粒體中的底物氧化是細胞和環境特異性的。根據細胞類型和條件，SRC 依賴于兩種主要能量底物的氧化，例如葡萄糖衍生的丙酮酸或脂肪酸。

通常，細胞使用丙酮酸來維持線粒體的 SRC。丙酮酸來自葡萄糖進入細胞溶膠的多步降解（即糖酵解）。糖酵解后，丙酮酸通過線粒體丙酮酸載體 (MPC) 進入線粒體基質，然后被氧化為乙酰輔酶 A，作為呼吸底物產生 ATP。丙酮酸的線粒體氧化受丙酮酸脫氫酶 (PDH) 多酶復合物的關鍵調節。在能量水平較低的情況下，例如由于對 ATP 的額外需求，丙酮酸產生及其線粒體氧化的激活使細胞能夠動員 SRC。有廣泛的證據表明，糖酵解衍生的丙酮酸氧化參與維持 SRC 水平。對于以高糖酵解率為特征的某些癌細胞尤其如此。因此，在肝癌中，己糖激酶 2 的遺傳缺失會抑制糖酵解產生的丙酮酸，同時消除 SRC。15 同樣，用單糖半乳糖代替葡萄糖培養的癌細胞的 SRC 水平低于常規葡萄糖培養基中的細胞。5 基因 16 或藥理學 17 抑制線粒體丙酮酸載體 (MPC)（一種將丙酮酸跨線粒體內膜傳導到基質的轉運蛋白）會消除不同癌細胞類型中的 SRC。 因此， 通過 UK5099 藥理學抑制 MPC 會降低許多細胞類型的 SRC。17、18 此外，通過降低丙酮酸脫氫酶 (PDH) 活性（丙酮酸氧化中的限速酶）來阻斷線粒體中的丙酮酸利用，會抑制 SRC。10 低 SRC 水平與由于 HIF-1 α/PDH 激酶軸激活而導致的 PDH 活性降低有關 。10 此外，研究表明，缺氧條件（24 小時內 O 2 濃度低于 0.1%）會將丙酮酸通量從線粒體氧化轉向乳酸，從而降低 SRC 水平（降低 60%-100%）。 10 相反，通過敲除 LDH A 同工酶（將丙酮酸降解為乳酸的關鍵酶）恢復丙酮酸流入線粒體基質，可誘導 SRC 水平顯著增加六倍以上 。19 同樣，用 PDK 抑制劑 DCA 激活 PDH 并不一定會改變基礎氧消耗，但會導致 SRC 水平顯著增加。10 類似地，通過 UCP2 過表達增加線粒體丙酮酸氧化會刺激 SRC。20 此外 ，在培養基中添加濃度不斷增加的丙酮酸會顯示癌細胞中劑量依賴性的 SRC 增加 。21 在以丙酮酸為唯一底物的培養基中培養的心肌細胞的 SRC 水平比在葡萄糖培養基中培養的細胞高三倍 。22

丙酮酸并不是支持 SRC 的唯一線粒體底物。造血細胞的線粒體優先氧化脂肪酸以維持 SRC。血小板 SRC 嚴重依賴于肉堿棕櫚酰轉移酶-1 (CPT-1) 的活性，該酶調節線粒體脂肪酸氧化 (FAO) 的重要步驟 。23 此外，外源脂肪酸的氧化似乎對造血細胞長期存活的 SRC 至關重要。高水平的 FAO 可在長壽 T 細胞 24 、接受 PD- 1 信號的長效 TcR 刺激的 T 細胞 25 或耐受性樹突狀細胞中維持高 SRC。26

新生兒肌細胞與人類誘導性多能干細胞衍生的心肌細胞不同，需要葡萄糖和棕櫚酸的協同作用來維持 SRC，而單獨葡萄糖就足以支持其基礎呼吸 。10

這些結果表明，基礎呼吸和 SRC 可以依賴于不同的營養物質組，并且這兩個參數根據細胞環境具有不同的調節途徑。

3.3 SRC 依賴于線粒體穩態

已清楚的是，細胞具有控制線粒體質量和數量的復雜機制。線粒體穩態通過協調過程來確保，包括線粒體生物合成和特異性消除有缺陷的線粒體（稱為線粒體自噬）。這些線粒體質量控制機制調節 SRC 水平。觀察發現，線粒體生物合成增加會導致 SRC 水平平行增加 。27 這種情況通常發生在對外部刺激（如運動或熱量限制）的反應中。PGC1α 是參與線粒體生物合成的信號通路的主要調節器。在具有高 SRC 水平的一部分黑色素瘤中觀察到 PGC1α 依賴性生物合成的激活。28、29 促進干細胞線粒體轉錄的轉錄因子 STAT- 3 也會增強 SRC。 6 相反，敲低線粒體轉錄因子 A (TFAM) 會顯著降低 SRC 水平 。30

線粒體自噬是選擇性清除受損功能障礙線粒體的備用過程。功能障礙的線粒體隨后被新線粒體的生物生成所取代。因此，在提高線粒體質量的過程中，線粒體自噬參與維持 SRC 水平。因此，PINK/PARKIN 依賴性線粒體自噬的改變（家族性帕金森病的特征）會導致 SRC 水平嚴重下降。31、32 然而，過度的線粒體自噬如果沒有同時增加線粒體的生物生成，則會導致 SRC 耗竭。過度表達 BNIP3（心肌細胞中線粒體自噬的強效誘導劑）的心肌細胞會降低 SRC 水平 ， 而不會影響基礎呼吸 。33

總之，以上數據表明 SRC 依賴于多個線粒體參數，并且 SRC 變化使得無法確定特定的調節機制，但 SRC 測定確實提供了生物能量代謝的綜合視圖。

4. 儲備呼吸能力水平的分子調節

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SRC 水平主要受來自線粒體內外的細胞信號的調控。如圖 2 所示，許多互補信號匯聚在一起調節 SRC 水平。那些改變 ETC 和/或線粒體底物效率的信號與短期線粒體可塑性有關，而線粒體生物合成的變化則被視為長期調節劑。與此一致，幾種調節線粒體生理學的藥物可以通過實驗影響 SRC 水平（表 1 ）。

表1 各種藥物對非轉化細胞和癌細胞 SRC 的影響

4.1 ETC 蛋白的翻譯后調控

線粒體內的 Lon 蛋白酶是線粒體完整性的關鍵因子，可作為錯誤折疊的線粒體蛋白的伴侶。因此，Lon 蛋白酶參與維持足夠的線粒體功能并提供足夠的 SRC 水平也就不足為奇了。特別是，Lon 蛋白酶參與氧化線粒體蛋白的降解。34 Lon 蛋白酶靶向極易受到氧化損傷且需要更新以支持有效線粒體功能的蛋白質。因此，由于受損、氧化功能障礙的線粒體的維持，具有突變 Lon 蛋白酶的細胞以低 SRC 水平為特征 35。調節 SRC 水平的另一種機制依賴于線粒體 NAD 依賴性脫乙酰酶 Sirtuin-3。10 Sirtuin-3 由高 NAD+ 水平激活，由低細胞能量狀態觸發。Sirtuin-3 通過其強大的脫乙酰酶活性，靶向控制線粒體氧化的關鍵酶。Sirtuin-3 調節參與脂肪酸氧化和維持 SRC 所需的呼吸鏈的酶的活性。因此，Sirtuin-3 通過脫乙酰化 SDHA 的 13-賴氨酸乙酰化位點，維持心肌細胞中的 SRC 水平 10 ，從而增加其酶活性。36 此外 ，Sirtuin-3 可以通過增加抗氧化酶 SOD2 的活性來調節氧化平衡，從而可以上調 SRC 水平（見下文）。所有這些翻譯后修飾都會協調主要線粒體氧化酶的活動并在 SRC 調節中發揮關鍵作用。

4.2 代謝傳感器

AMP 依賴性激酶 (AMPK) 是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，是一種關鍵的能量傳感器。當 ATP 水平較低時，ADP:AMP 比率會增加，進而激活 AMPK。AMPK 激活負責調整細胞代謝以恢復能量，從而有助于 SRC 維持。從藥理學上講，AMPK 激動劑會逐漸提高 SRC 水平。37 AMPK -PPARα 通路的激活有利于 FAO ，并提高心肌細胞中的 SRC 水平。10 有趣的是，AMPK 激活還會導致參與線粒體生物合成和功能的幾種因子的表達增加，包括 PGC-1α、Tfam 和 UCP2。38 高血糖會降低 SRC 水平 39 可能是通過下調 AMPK/PGC1α 軸實現的， 40 表明線粒體呼吸的適應性反應是為了應對營養過載。

4.3 氧化還原調節

氧化應激通過幾種不同的機制顯著降低 SRC。41 氧化還原對 SRC 的影響可能是可逆的，也可能是不可逆的，這取決于氧化應激的強度。42 低濃度的活性氧和氮物質暴露對基礎呼吸的影響最小，但兩種處理都會可逆地影響 SRC，這可能是由于 ETC 蛋白質修飾（如 S-硫代化）所致 。43 此外，二酰胺誘導的蛋白質 S-谷硫代化會引發可逆的線粒體反應，包括質子泄漏增加和 SRC 下調 。44 NADPH-氧化酶 4 (Nox4) 是一種組成性活性酶，可產生 H2O2，可抑制 SRC，盡管尚不清楚這種抑制作用是依賴于 ROS 生成還是依賴于 NRF2 依賴的線粒體生物合成控制。45 與此一致，線粒體抗氧化解毒酶 SOD2 的基因消融也會降低 SRC 水平。46、47 研究表明氧化脂質會降低 SRC，從而導致肌細胞死亡。48 在脂質過氧化產生的產物中， 4- 羥基-2-壬烯醛 (4-HNE) 是線粒體中產生的最具生物活性的化合物之一。4-HNE 與核酸、膜脂質和蛋白質中的功能基團形成共價加合物。線粒體蛋白-4-HNE 加合物可影響 ETC 蛋白，例如細胞色素 c 氧化酶。它們的存在會增加 ATP 相關的呼吸，但會消除 SRC，最終導致心臟在缺血或壓力超負荷后出現生物能量崩潰和心肌細胞死亡 48。42 相反，線粒體同工酶醛脫氫酶-2 可解毒內源性 4-HNE，從而顯著提高 SRC 水平 。49

4.4 信號通路

多年來，人們一直認為代謝途徑的調節獨立于驅動關鍵細胞功能的信號轉導途徑。最近，大量證據支持生長因子和細胞因子誘導的信號通路與包括線粒體代謝在內的代謝途徑調節之間的相互作用。PI3K/AKT/mTOR 信號通路是非轉化細胞中的主要 SRC 調節因子。在肝細胞中，與激活 PI3K/AKT 通路的 IGF-1 孵育可顯著增加 SRC 并上調糖酵解。PI3K/AKT 通路負調節因子 PTEN 的敲除顯示出比對照細胞更高的 SRC 和糖酵解 。50 與生長因子（如 PDGF、 51 G-CSF 52 或 IGF-1 53） 孵育后激活 PI3K/AKT 信號級聯也會導致 SRC 水平呈劑量依賴性增加。通過與 PI3K/AKT 通路抑制劑 LY 294002 預孵育，可以抑制 SRC 上調 。53 同樣，藥物抑制 PI3K/AKT/mTOR 通路也會導致皮質神經元中的 SRC 水平顯著降低 。54 PI3K/AKT/mTOR 依賴性的 SRC 水平增加有幾種可能的解釋。PI3K/AKT/mTOR 的激活可增強 (i) 線粒體質量和/或特定 ETC 蛋白的表達；例如，已證明 mTOR 上調線粒體生物合成的轉錄調節因子，包括 PGC1-α 55 和復合物 I 55 的核編碼成分的表達；(ii) ETC 50,56 的關鍵酶 (復合物 I、III、IV) 的活性；或 (iii) 丙酮酸的利用。PI3K/AKT 的激活可增加線粒體中的糖酵解通量和丙酮酸氧化。因此，這種對 SRC 的影響可歸因于 Akt 介導的對關鍵的 PDH 抑制劑 GSK3β 的抑制。結果，丙酮酸被完全氧化到線粒體基質中以維持高 SRC 水平。50 此外，最近有研究表明，mTOR 通過 mTOR 依賴的 MFN2 磷酸化促進丙酮酸激酶 M2 異構體 (PKM2) 與線粒體融合蛋白 2 (MFN2) 之間的相互作用 。57 這導致代謝從糖酵解轉向線粒體 OXPHOS，同時 SRC 水平升高（最高可升高三倍）。

細胞因子觸發的另一種重要信號通路參與了 SRC 水平的調節。細胞因子激活 Janus 激酶 (JAK)，該激酶磷酸化 STAT 蛋白，STAT 蛋白轉位到細胞核上調急性期基因的表達。細胞因子激活的 JAK/STAT 信號通路也參與了幾種細胞類型代謝的調節 。58 有趣的是，STAT 的非經典效應不同于其作為核轉錄因子的經典作用。事實上，一小池磷酸化 (磷酸化-S727) STAT3 蛋白位于線粒體基質內，在那里它激活線粒體氧化，包括 SRC 和 ATP 的產生。大多數研究表明，線粒體 STAT3 的存在以濃度依賴性方式增加了線粒體復合物 I 和 II 的活性。59 盡管確切機制尚不清楚，但有人提出 STAT-3 可以與特定的電子傳遞復合物相互作用并使其穩定。因此，在暴露于 IL-6 后，線粒體 STAT3 可以促進超級復合物的形成以及超級復合物中的復合物 I 活性 。60 或者，據報道，在細胞因子白血病抑制因子 (LIF) 刺激下，線粒體 STAT3 特異性上調 ES 細胞中編碼復合物 I 的幾種成分的線粒體基因的轉錄，與 mtDNA 的直接轉錄一致 。6

最后，MAPK 通路的激活也參與了癌癥中 SRC 水平的調節，這將在下一章中詳細介紹（見下文）。

上述研究強調了負責 SRC 調節的關鍵信號通路之間的復雜相互作用，并強調了在細胞特定環境中解釋 SRC 的嚴格要求的必要性。

5 非轉化細胞中的SRC測定

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5.1 生理條件下非轉化細胞中的 SRC 水平存在差異

非轉化細胞中的 SRC 水平高度異質性 7 ，并且嚴格依賴于細胞生理學。18 例如，在血細胞中，單核細胞和淋巴細胞中的 SRC 水平更高；而在血小板中，SRC 水平接近基礎值 ， 僅達到最大線粒體呼吸的 20% 。61 SRC 水平的這種差異可能與不同血細胞類型中功能性線粒體的數量不同有關。來自不同大腦區域的神經元亞群之間也觀察到了 SRC 水平的異質性。中腦多巴胺能神經元本質上通過激活生化多巴胺生物合成途徑而受到氧化應激，與其他神經元群相比，其 SRC 水平較低。62 同樣，皮質星形膠質細胞的 SRC 水平比基礎呼吸值高 1.5 倍，而皮質神經元的 SRC 水平比基礎值高 3 倍 63 強調了在解釋 SRC 值時絕對需要考慮細胞環境。與此一致，SRC 水平最低的組織對線粒體靶向藥物也最敏感。這一發現解釋了為什么紋狀體是對農藥復合物 I 抑制劑（如魚藤酮）最敏感的區域，魚藤酮是一種導致帕金森病的損傷形式 。64

不管這些考慮如何，SRC 水平的顯著變化可能與某些生理情況有關，包括分化過程、衰老和免疫反應。在這些情況下，SRC 水平更多地反映了細胞生理學，而不是線粒體功能障礙。

5.1.1 增殖細胞與分化細胞中的 SRC 水平

SRC 水平低（低于基礎呼吸值的 1.5-2 倍）的細胞通常是增殖細胞。這對于癌細胞（見下文）是正確的，但對于一些增殖性非轉化細胞（如成肌細胞）也是如此 。63 可以假設增殖細胞大量利用線粒體儲備來響應細胞復制的生物合成需求 。63

相反，高 SRC 水平（超過基礎呼吸值的 1.5-2 倍）是高度分化的有絲分裂后細胞的特征，尤其是對 ATP 有重要需求的分化細胞，如心肌細胞或肝細胞 。1 因此，原代肝細胞和成年心肌細胞的 SRC 水平分別比其基礎水平高 3.5 倍和 2 倍。1 心肌細胞中相對較低的 SRC 水平似乎自相矛盾，因為這些細胞被認為是能量需求最高的細胞之一。然而，可以假設跳動的心肌細胞的高基礎呼吸水平會降低 SRC 值。

有趣的是，在分化過程中，SRC 水平從干細胞逐漸增加到成熟分化細胞，最好是在細胞分化的終末階段。因此，相比之下，有絲分裂后分化細胞的 SRC 水平高于干細胞或 iPS 細胞 65 ，即使它們的靜息需求較低。皮質神經元分化與 PGC1α 和 TFAM 依賴性線粒體生物合成逐漸增加有關，這也取決于 PI3K/Akt/mTOR 通路的激活。在對應于樹突生長和成熟的神經元分化后期， 54 以及對應于樹突生長和成熟的神經元分化后期，SRC 水平有所增加。脂肪形成的多步驟過程構成了分化過程中 SRC 水平逐漸增加的另一個例子。脂肪細胞分化伴隨著從糖酵解代謝向線粒體氧化磷酸化的代謝轉換。在分化過程中，脂肪形成譜系的細胞逐漸形成高 SRC 水平（前脂肪細胞和成熟脂肪細胞之間最高可增加 6 倍），從而能夠快速適應低血糖條件等代謝變化。66 分化過程中 SRC 水平的升高可通過終末分化過程中線粒體生物合成 67 和/或 Mfn-2 依賴性線粒體動力學 68 的上調來解釋。然而，SRC 水平的增加嚴格取決于細胞環境，可能并不總是能觀察到。因此，與脂肪細胞分化不同，間充質干細胞分化為軟骨細胞并不伴隨 SRC 激活。事實上，在軟骨形成過程中，線粒體網絡逐漸分裂，并與線粒體自噬過度消除線粒體有關。這些影響往往會減輕 SRC 的量級 。68

5.1.2 SRC 水平與衰老

衰老過程似乎會嚴重損害線粒體的結構和功能。一項針對 55 名不同年齡個體的皮膚成纖維細胞的隊列研究表明，61 歲以上的捐贈者的 SRC 水平急劇降低，下調率為 20%。69 與年齡相關的線粒體功能障礙的機制很復雜，仍然難以捉摸。眾所周知，與核基因組相比，mtDNA 更容易受到與年齡相關的突變和缺失積累的影響。因此，與年齡相關的 mtDNA 惡化會影響 ETC 的許多組成部分，也可能影響 SRC 水平。與年齡相關的 SRC 降低的機制不會僅限于 mtDNA 改變。在使用 CRISPR-Cas9 策略去除端粒的體外衰老模型中，神經元細胞中的 SRC 水平下降了 80% 。70 這種影響可以歸因于 PARKIN 依賴性線粒體自噬的缺陷。氧化組織（例如大腦、心臟和骨骼肌）會受到與年齡相關的線粒體功能障礙和 SRC 負調節的影響。同樣，這些機制可能是多因素的，因此 SRC 水平的變化變化很大，并且受個體間差異的影響（詳見綜述 71 ）。然而，人們可以推測，與衰老過程相關的 SRC 降低可能導致與年齡相關的心血管和神經系統疾病發病率增加。

5.1.3 SRC 水平與免疫反應和長壽細胞

在整個免疫反應過程中，T 細胞中的 SRC 水平會發生變化，不同的 T 細胞亞群具有不同的代謝特征 。72 在 CD4 + T 細胞中，效應 T 細胞需要糖酵解才能增殖、分化和存活，而調節性 T 細胞依賴線粒體 FAO，因此調節性 T 細胞亞群的 SRC 水平高于效應 T 細胞。73 與幼稚 T 細胞或效應 T 細胞相比，長壽的 CD8+ 記憶 T 細胞表現出主要的線粒體代謝，因此具有高 SRC 水平。24、74 CD8+ 記憶 T 細胞的糖酵解速率較弱，而是氧化脂肪酸來支持 TCA 循環和 SRC 水平。具有高 SRC 水平的 CD8+ 記憶 T 細胞還以 IL-15 刺激的線粒體生物合成為特征 。75 此外，線粒體代謝與免疫反應之間存在密切聯系。強制線粒體融合使 CD8+ T 細胞采用以高 SRC 水平為特征的記憶表型 。76 有趣的是，CD8+ T 細胞中 PGC1α 依賴性線粒體生物合成的增加導致其效應細胞因子功能的改善，這表明 SRC 值可以看作是效應免疫功能的指標。

與 T 細胞一樣，參與免疫反應的其他免疫細胞也依賴線粒體代謝來維持其生命或維持其功能。有趣的是，Toll 樣受體激動劑可激活樹突狀細胞，導致糖酵解依賴性 SRC 水平顯著增加，從而使這些細胞能夠適應細胞間通訊、細胞因子分泌和遷移的能量需求 。77 同樣，長期血漿 B 細胞具有高 SRC 水平 。18 有人提出，高 SRC 構成了一種生物能量優勢，使免疫細胞在再感染期間能夠更迅速、更有效地做出反應 。78 因此，SRC 測定可能有助于確定有效免疫細胞亞群的長期存活率。

5.2 非轉化細胞的 SRC 水平和病理生理狀況

5.2.1 神經退行性疾病和 SRC

據估計，神經元線粒體產生的 ATP 中有 50% 用于維持跨膜離子通量，近 30% 用于突觸傳遞，這表明突觸線粒體對于正常的神經元功能至關重要。因此，SRC 耗竭可能在神經系統疾病的發病機制中起著至關重要的作用，包括多種神經退行性疾病，如阿爾茨海默病 (AD)、帕金森病 (PD) 和肌萎縮側索硬化癥。在 AD 小鼠模型中，海馬神經元表現出嚴重的 SRC 缺乏（與對照組相比低兩倍）。這種線粒體功能障礙先于組織學癥狀的出現，表明其是該疾病的致病因素 。79 SRC 決定了神經元對缺氧、營養不足或興奮性神經遞質引起的細胞應激的敏感性程度。在這方面，N-甲基-D-天冬氨酸受體 (NMDAR) 的過度激活與突觸功能障礙有關，NMDAR 是一種由神經遞質谷氨酸門控的陽離子通道，與多種急性和慢性神經系統疾病有關。值得注意的是，NMDAR 的慢性激活會大大增加 ATP 需求，迫使神經元在細胞試圖恢復初始 ATP 水平時使用其 SRC。因此，NMDAR 過度激活會嚴重降低可用的 SRC。9、80 神經退行性疾病中的 SRC 耗竭通常是多種機制復雜相互作用的結果。導致線粒體生物能量缺陷的可能機制包括：(i) 在某些以 Parkin、Pink 或 DJ-1 62 突變為特征的 PD 形式中，由于生理性線粒體自噬而維持功能障礙的線粒體；(ii) 氧化應激在包括肌萎縮側索硬化癥在內的疾病進展中起主要作用；(iii) 或 ETC 酶的表達和活性降低 。71 所有這些機制在一定程度上導致了神經系統疾病中觀察到的 SRC 耗竭。

5.2.2 心血管疾病和 SRC

人類心臟每克組織消耗的能量比任何其他器官都要多，相當于每天產生 6 公斤 ATP，主要由線粒體產生。線粒體對心臟組織的依賴解釋了為什么線粒體變異與嚴重心臟病有關。在肥大性心臟中，容量超負荷導致 ATP 消耗增加兩倍，需要 SRC 進行補償。當能量使用和能量產生不平衡時，就會發生心臟失代償。

即使在沒有主要臨床癥狀的患者中，衰竭心臟的心臟線粒體也表現出超微結構異常，基質增加，嵴紊亂 81。在心力衰竭的臨床前模型中，觀察到 SRC 缺陷導致心臟肥大。82 生物能量衰竭的擬議機制包括 ETC 復合物受損、FAO 改變、氧化應激以及 TFAM 和 PGC-1α 依賴性線粒體生物合成缺陷 。71 有趣的是，所有這些影響 SRC 的改變都發生在心力衰竭發作之前，這表明需要保持高 SRC 水平作為治療方法。

5.3 非轉化細胞中 SRC 降低的后果

SRC 在基礎生理條件下不是必需的，但在急性應激條件下變得必不可少，從而導致能量需求急劇增加 。需要更多 SRC 的細胞可以在需要時產生更多的 ATP，以更好地應對包括能量應激和氧化應激在內的應激條件。35 然后使用 SRC 來對抗壓力的有害影響。因此，SRC 水平與成纖維細胞存活率增強呈正相關。81 SRC 被描述為一種神經元保護機制，可抵御興奮性毒性。4、15 此外，通過復合物 II 增強 SRC 與抵抗缺氧誘導的心臟細胞死亡有關 。20 當儲備被消耗并低于某個閾值時，細胞將無法再補償壓力的有害影響（見圖 3 ）。在這種情況下，在病理條件下觀察到的 SRC 水平急劇下降反映了線粒體無法應對超能量需求。這種情況通常與細胞功能障礙有關，最終導致細胞死亡。在這種情況下，細胞死亡主要是由“能量危機”引起的。在許多研究中，SRC 損失預示著細胞死亡或器官功能障礙的發生。如前所述，研究表明，各種病理情況都會降低 SRC 水平，導致心臟或神經細胞死亡。骨骼肌中也會出現因 SRC 耗竭而導致的細胞死亡。線粒體 DNA 突變小鼠是一種導致 SRC 衰竭的小鼠模型，由于細胞凋亡而導致大量骨骼肌損失 。83

圖3非轉化細胞中 SRC 減少的后果示意圖（詳情見正文）

然而，根據細胞類型、細胞環境和損傷嚴重程度，線粒體 SRC 的耗竭并不總是導致細胞死亡。因此，暴露于氧化應激和 SRC 水平降低的內皮細胞會進入與內皮細胞功能受損相關的細胞衰老狀態 。49

6 特殊情況：SRC的測定與癌細胞的相關性

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6.1 低 SRC 水平：大多數癌細胞類型的代謝特征？

除了瓦爾堡最初描述的典型糖酵解表型外， 84 癌細胞還可以利用其他碳源，如谷氨酰胺或脂肪酸，這些碳源在線粒體中被氧化，以產生能量和/或合成代謝。因此，現在已經確定癌癥代謝比預期的更加異質，除了經典的糖酵解表型外，癌細胞還可以表現出線粒體氧化表型。此外，癌細胞可以從一種糖酵解表型轉變為線粒體表型，以適應外部（環境條件的壓力）或內部（基因表達的后果）信號。癌細胞的代謝靈活性似乎可以預測腫瘤的侵襲性。在許多癌癥類型中，癌癥進展、轉移的發展和耐藥性的獲得都需要存在線粒體氧化表型 。85

無論代謝異質性如何，大多數癌細胞的特征是 SRC 水平低于正常細胞。因此，與骨細胞相比，成骨肉瘤細胞中的 SRC 顯著降低 。86 SRC 在膠質母細胞瘤細胞中持續耗竭，而在非致瘤性正常細胞中則保持原樣 。87 與外周單核細胞相比，急性髓系白血病細胞的 SRC 水平較低（最多可降低三倍），盡管線粒體質量增加。13 出現 IDH 突變的急性髓系白血病 (AML) 細胞對應于 SRC 水平甚至更低的細胞子集 。88 一個例外是慢性淋巴細胞白血病細胞，其 SRC 水平高于 B 細胞，這可能是由于線粒體含量增加 。89 然而，上述研究的一個缺點是 SRC 值是從通常在高葡萄糖培養基中體外培養的穩定癌細胞系中獲得的，這種代謝條件可能不能充分代表體內情況。這些結果應在直接從患者體內分離的原代細胞中進行驗證。低 SRC 水平主要是由于無法完全提高最大呼吸量，而不是基礎呼吸量發生變化 。13 與非轉化細胞相比，癌細胞表現出低 SRC 和最大呼吸量值的原因仍不清楚。這可能是由于過量糖酵解中間體積累對線粒體呼吸產生負面調節，這種現象稱為克拉布特里效應 90 和/或癌癥發展背后的分子和遺傳機制（見下文）。

6.2 癌癥中 SRC 水平的特殊調節

多項實驗證據表明，低 SRC 水平與惡性轉化密切相關。因此，線粒體代謝和 SRC 受致癌基因、腫瘤抑制因子和轉錄因子的調控，這些因子參與了致癌作用的多步驟進展。有趣的是，通過破壞腫瘤抑制因子 p53 并引入致癌突變體 KRAS 的永生化人類成纖維細胞 BJ 的轉化程序伴隨著 SRC 水平的降低。91 成纖維細胞的永生化也會導致 SRC 水平下降。91 與野生型 P53 同源物相比，具有 P53 突變的鱗狀細胞癌細胞的 SRC 水平降低，并且主要依靠糖酵解來生存。92 在 Ras 突變的膠質母細胞瘤中，異常的 Ras 信號通過 PDH 磷酸酶下調降低 SRC 水平，從而減弱 PDH 活性。87 Ras/Erk 信號的激活也會通過 TRAP1 磷酸化誘導 SDHA 抑制，從而導致 SRC 抑制 。93

圖4控制 BRAF 突變黑色素瘤中低 SRC 水平的代謝回路示意圖（詳情見正文）

致癌基因對線粒體代謝和 SRC 影響的典型例子是突變激活的 BRAF（圖 4 ）。BRAF 突變（例如 BRAFV600E 突變）存在于 50% 的黑色素瘤和幾種實體瘤中。BRAFV600E 突變的存在導致 MEK/ERK 級聯的組成性激活，從而刺激細胞生長和增殖。突變的 BRAF 還會重新編程黑色素瘤代謝，增加有氧糖酵解并抑制線粒體氧化（詳見 94、95 ） 。致癌 BRAF 突變體通過幾種不同的機制下調 SRC。首先，BRAF 突變體通過下調 MITF/PGC1α 通路負向調節線粒體的生物合成。其次，BRAF 突變的黑色素瘤細胞通過降低線粒體守門酶丙酮酸脫氫酶 (PDH) 的活性來減少葡萄糖衍生的丙酮酸進入 TCA 循環。事實上，BRAF 突變體的特點是 HIF-1α 及其下游靶標 PDK 的高表達，后者是 PDH 活性的關鍵抑制劑。最后，BRAF 突變癌癥的低 SRC 水平也可能是由于線粒體動力學的破壞。因此，MAPK 通路的組成性激活會上調動力蛋白相關蛋白 1 (DRP-1) 的表達和活性，導致線粒體劇烈裂變，最終導致呼吸減弱 。96

總體而言，這些數據表明，潛在的遺傳網絡在很大程度上導致了癌細胞中 SRC 水平低。

6.3 SRC 在癌癥中的意義

與正常細胞相比，低 SRC 水平可看作是癌細胞的代謝弱點，反映了線粒體代謝無法部分適應壓力條件 。13 因此，癌細胞擁有代謝“衰竭”的線粒體，可以作為治療靶點，也可能是癌細胞的潛在“致命弱點”。同樣，據報道，不同癌細胞系中的 SRC 水平與對 ETC 靶向藥物二甲雙胍的敏感性呈負相關，這表明基于 SRC 的分層可以預測 ETC 靶向藥物在癌癥臨床試驗中的療效 。91 與此一致，較低的 SRC 水平使急性髓細胞白血病對 ETC 抑制劑和氧化應激源更敏感 。13 然而，鑒于糖酵解在癌細胞代謝中的重要性，這種脆弱性只是相對的，因為癌細胞可以通過激活有氧糖酵解來補償線粒體外的 ATP 產生。因此，較低的 SRC 水平并不總是足以構成代謝虛弱，只有在無法增加糖酵解的情況下才會出現代謝虛弱 。97

除此之外，在腫瘤進展過程中，癌細胞的 SRC 水平逐漸升高，這反映了可能需要更多的氧化代謝來應對不斷增加的能量需求。由于丙酮酸代謝增強，腫瘤侵襲與卵巢癌中的 SRC 增加有關 。98 癌癥中 SRC 的增加也可以看作是獲得耐藥性的一個機制步驟，通過向有效的線粒體代謝轉變，使細胞存活成為可能 。99

癌細胞對抗癌藥物的反應通常會導致 SRC 變化。許多化療藥物會對負責其抗癌活性的癌細胞施加壓力。根據藥物的類別，壓力的性質各不相同，包括氧化壓力和基因毒性壓力。這兩種壓力都可能降低 SRC 水平，從而解釋了為什么抗癌藥物會降低敏感細胞中的 SRC 水平（見表 1 ）以及為什么這種降低與其抗癌作用相關。91 抗癌藥物對 SRC 的影響主要是由其對最大呼吸速率的影響降低引起的（表 1 ）。

相反，化療耐藥性與 SRC 增加有關，而 SRC 偶爾可能與線粒體呼吸鏈表達的變化有關，主要是在細胞色素 c 氧化酶水平上。100 在這里，我們總結了有關癌癥藥物耐藥性中 SRC 的數據（表 2 ）。SRC 增加與對 DNA 損傷劑（如六價鉻 Cr(VI) 或順鉑） 的耐藥性相關 。99 此外，高 SRC 水平通常是癌細胞對靶向藥物產生耐藥性的特征。與親本細胞系相比，在對維奈克拉產生耐藥性的 AML 細胞中觀察到更高的 SRC 水平。101 對布魯頓酪氨酸激酶抑制劑依魯替尼產生耐藥性的瓦爾登斯特倫巨球蛋白血癥細胞的 SRC 水平也高于敏感細胞。102 同樣，在幾種對 BRAF/MEK 抑制劑產生耐藥性的模型中，黑色素瘤細胞與高 SRC 相關，這一觀察結果與其高氧化活性相符。103 有趣的是，在大多數研究中，基線呼吸與檢測耐藥性并不一致，而 SRC 和/或最大呼吸速率是與耐藥性相關的最佳參數之一。

9. 結論

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總體而言，SRC 的生理作用是幫助未轉化細胞適應生物能量需求的突然增加，從而促進短期應激生存。在這種情況下，SRC 可用作細胞應對急性細胞應激能力的預測標志。在此，研究強調了測量 SRC 對評估或預測細胞對應激的反應的相關性。有趣的是，應該注意的是，之前曾測量過肺動脈高壓患者血小板上的 SRC 水平。在這些情況下，它被證明是一種與疾病進展和嚴重程度相關的有價值的預測標志 。23 盡管如此，SRC 值的解釋應謹慎，因為其生理意義主要取決于細胞環境。事實證明，SRC 值因細胞類型而異，低 SRC 水平并不總是意味著線粒體功能障礙。看起來，SRC 水平高的線粒體是具有能量作用的線粒體，而 SRC 水平低的線粒體參與合成代謝功能，就像癌細胞的情況一樣。

如果希望通過操縱 SRC 水平來達到治療目的，那么了解負責 SRC 的分子回路就顯得尤為重要。因此，加強 SRC 可能有助于避免心室肥大導致的心臟失代償。相反，降低耐藥癌細胞的 SRC 水平可能會使它們對線粒體靶向藥物更加敏感。

最后，我們建議使用 SRC 作為關鍵參數（i）確定代謝生物能量特征；（ii）預測未轉化細胞對壓力的抵抗力；（iii）預測癌細胞的侵襲性，包括獲得耐藥性。

能量是一切生命活動的基石，這個基石如果在正常生命活動中存在缺陷，或為異常生命活動（比如腫瘤）作貢獻，有機體必然要加速走向衰敗和滅亡。

如果你對這個研究方向感興趣，務必要看看檢測這個儲備呼吸能力定義和實驗方法，請詳細閱讀我們此前的幾篇關于細胞呼吸和Seahorse細胞代謝分析方面的推文以及此次推文的頭條《線粒體儲備呼吸能力與衰老之間有聯系嗎？》：

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如需要用Seahorse細胞能量代謝分析儀檢測細胞OCR、ECAR，可以與19901610324（WeChat同號）聯系。

譯自文獻：

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