第六节 线粒体的功能和细胞的干性调节
迄今为止，人们对线粒体功能的理解就是线粒体通过对糖类，脂肪和氨基酸三大物质进行氧化代谢。不论有氧与否，一个分子的葡萄糖在细胞质内经多步酶促反应过程而转变成两分子丙酮酸。丙酮酸经过线粒体内膜上的丙酮酸载体（mitochondrial pyruvate carrier）转移到线粒体内，在有氧的条件下，通过三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle）进行氧化磷酸化合成三磷酸腺苷（ATP）为细胞提供能量。这个过程就是典型的葡萄糖的有氧糖酵解（aerobic glycolysis）。在低氧或者无氧情况下，丙酮酸脱氢酶活性增加，丙酮酸主要转化为乳酸。这个过程称为无氧糖酵解（anaerobic glycolysis）。一分子葡萄通过有氧糖酵解可以生成32分子的ATP，而一分子葡萄糖通过无氧糖代谢仅仅可以生成2分子ATP。然而机体内存在着另外一种情况，即使是在有氧的情况下某些细胞也宁愿通过无氧糖酵解的途径生成乳酸，不妨称之为有氧状态下的无氧糖酵解（non-aerobic glycolysis）。这种看来很不符合情理的能量代谢特征可能是干细胞，包括肿瘤干细胞，维持其干细胞特性的必要手段。而这种特征在肿瘤中的体现首先由Warburg于20世纪20年代报道，提示了肿瘤与线粒体功能障碍相关的可能性，而肿瘤的这种特性被普遍解读为肿瘤的Warburg效应。尽管Warburg在将近一个世纪之前提出的肿瘤是由线粒体代谢障碍引起的假说已被证明不完全正确，肿瘤偏好在有氧条件下通过无氧糖酵解获取能量已经通过大量的体内外研究获得认可。
大量的研究表明胚胎干细胞，成体干细胞和诱导性多潜能干细胞具有下述共同特点：首先是线粒体的质（氧化呼吸功能）和量（数量）都低以及由此带来的线粒体活性氧（reactive oxygen species）产生量低。这种线粒体在未分化的干细胞以及分化的细胞中数量的明显差异在正常的复层鳞状上皮中显而易见（图10-1）。
第二个特点就是依赖于无氧糖酵解途径获取能量。令人费解的是，尽管这些细胞中的线粒体的数量不多，但是这些线粒体是完全具备氧化呼吸的所有物质基础的。而事实上这些少量的“健全”的线粒体也趋向于有氧状态下的无氧糖酵解活动；第三个特点是线粒体在这些干细胞中聚集于细胞核周围，而线粒体在分化的细胞中常常弥散于细胞质中或者聚集于细胞的顶浆（如外分泌细胞）。
线粒体DNA与核DNA密切合作是保证线粒体在不同细胞以及不同细胞的不同分化状态时具有不同的功能的重要前提。线粒体DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）是线粒体中独立存在的闭合环状DNA分子。mtDNA携带有与线粒体氧化磷酸化相关的13个蛋白质基因编码。线粒体编码制导的蛋白质与其他核DNA制导的线粒体蛋白质协同作用完成细胞的氧化磷酸化后的电子传递，执行细胞的呼吸功能。由于完整的线粒体是实现线粒体功能的必要条件之一，因此可以通过抑制线粒体DNA的复制进而抑制线粒体的功能，并由此进一步研究细胞干性变化的相关规律。溴化乙锭（ethidium bromide）可以与裸露的mtDNA结合从而影响mtDNA的复制。在细胞培养基中加入一定量的溴化乙锭会使细胞在每一个分裂周期后失去大约二分之一的线粒体分子，经过一定时间的连续培养后细胞会失去mtDNA，形成所谓的无mtDNA细胞（ρ°细胞）。然而，肿瘤细胞系对溴化乙锭的敏感性有很大的差异。我们对人的前列腺癌PC-3和DU145细胞系研究发现，连续14天在50ng/ml和500ng/ml的溴化乙锭培养后，细胞会高度表达干细胞相关因子Oct3/4、Nanog1、Nanogp8、CD44以及肿瘤耐药因子ABCG2。我们在随后的研究中发现，在高浓度的溴化乙锭连续培养PC-3细胞3个月后，细胞会出现明显的EMT现象，线粒体的ATP合成量大幅度降低，线粒体膜的通透性增加，细胞增长速度减缓，相关的干细胞因子的表达上调，细胞的化疗耐药性增加，提示肿瘤细胞在因线粒体DNA复制障碍导致的线粒体功能障碍后通过获得性上调细胞的干性而生存（未发表的资料）。
