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[摘要]人类线粒体DNA（mtDNA）是一个近16 kbp的环状双链DNA分子，它编码氧化磷酸化相关的几个重要的亚基，其高突变率和拷贝数的变化可能在肿瘤的发生发展中起了重要作用。近年来，人們越来越多地关注对线粒体基因组潜在作用的研究，部分结果还显示出临床意义，本文就mtDNA在肿瘤中的研究进展进行综述。
[关键词]DNA，线粒体;肿瘤;突变;综述
[中图分类号]R730;R342.3[文献标志码]A[文章编号]2096-5532（2018）06-0729-05
近一个世纪前WARBURG等[1]就提出线粒体、代谢和癌症之间存在某种关系，但是对该领域的研究却是近些年才引起人们的兴趣。线粒体是真核细胞中重要而独特的细胞器，拥有独立于细胞核基因组之外的遗传物质，即线粒体DNA（mtDNA）。长期以来mtDNA被认为主要或者唯一的作用就是编码与氧化磷酸化相关的多种关键蛋白。对肿瘤和健康组织细胞mtDNA的大规模测序结果提示，mtDNA参与了恶性转移，虽然这些发现的病理相关性仍然有争议，但许多研究都证实了mtDNA在癌变过程中的变化[2-3]，其突变的类型和数量能够影响细胞生物能学的多个方面，而这被认为是癌症的标志。因此，阐明mtDNA突变与肿瘤之间的关系， 对肿瘤的诊断和机制研究具有十分重要的意义。本文主要综述了mtDNA的结构和功能以及mtDNA与肿瘤的相关性。
1mtDNA
1.1mtDNA的结构
位于线粒体内膜的mtDNA是闭合的环状双链DNA分子，其内侧链被称为轻链（L链），外侧链被称为重链（H链）。人mtDNA由一个非编码区（又称D-环）和一个编码区组成。经测序可知，D-环大小为1 124 bp（16024→16569 →1→576），是调控mtDNA转录和复制必不可少的区域，H链和L链的启动子以及H链的复制起始位点均位于D-环，而L链的复制起始位点则位于编码区[4]。编码区位于np 577至np 16023，编码22个tRNA（14个在H链，8个在L链）、2个rRNA（在H链）以及13个（12个在H链，1个在L链）与电子传递和氧化磷酸化相关的多肽，这些多肽是构成呼吸酶复合物所需的组分，包括了复合物Ⅰ中的7种（ND1、ND2、ND3、ND4、ND4L、ND5和ND6）、复合物Ⅲ中的1种（细胞色素b）、复合物Ⅳ中的3种 （COX Ⅰ、COX Ⅱ和COX Ⅲ）和复合物Ⅴ中的2种（ATP酶6和ATP酶8），只有ND6多肽在L链中编码，而其他12种多肽在H链中编码。除了这13种多肽外，构成呼吸酶复合物的大约90种多肽在核DNA（nDNA）中编码，复合物Ⅱ（琥珀酸-辅酶Q氧化还原酶）的所有亚基则是完全由nDNA编码。虽然线粒体有自己的基因组，但是调节mtDNA复制和转录所需的所有蛋白质均为nDNA编码。
1.2mtDNA的复制
众所周知，mtDNA复制不与细胞周期同步，并且独立于nDNA复制而发生。然而，所有与mtDNA复制相关的反式作用因子都由nDNA编码，这表明细胞核在调控mtDNA拷贝数方面扮演了重要的角色。由于转录和复制在线粒体中是偶联的，因此转录相关的蛋白也参与了复制。核编码的mtDNA关键复制因子包括线粒体特异性聚合酶γ（POLG）、线粒体DNA单链结合蛋白（mtSSB）、线粒体解旋酶（Twinkle）和线粒体转录因子A（TFAM）[5]。POLG是动物线粒体中唯一已知DNA聚合酶[6]，是由分子量分别为12万～14万的催化核心和3.5万～5.0万的亚基组成的异二聚体复合物。亚基参与了RNA引物结合，并且还结合dsDNA。过去人们认为，线粒体中的DNA修复和重组是非常有限的，但POLG具有的3′至5′外切酶活性，以及5′脱氧核糖磷酸合酶活性打破了这一观念。POLG的组分在一定程度上具有进行mtDNA复制和修复所需的所有活性。mtSSB和Twinkle在复制过程中一起发挥作用导致了螺旋的不稳定[7-8]。mtSSB是一种分子量为1.3万～1.5万的蛋白，通常组成分子量为5.6万的四聚体，对DNA具有高亲和力。Twinkle由mtSSBP激活以提高POLG的持续性和保真度。TFAM是核型结构的必要组分，对于转录和复制起始是必需的[9]。TFAM除了为mtDNA提供结构外，还被认为调控了在D-环（线粒体基因组的顺式调节区）的蛋白质结合。重要的是，有实验表明mtDNA量与总TFAM水平呈正比[10]。
1.3mtDNA拷贝数
在人细胞中，线粒体分布在细胞质中以形成线粒体网，在大多数时间这些线粒体中的大多数彼此连接。一般来说，每个细胞中含有数百至几千不等的线粒体，每个线粒体有2～10个mtDNA拷贝，因此一个细胞的线粒体基质中有几千个拷贝的mtDNA分子。由于mtDNA的转录和复制是紧密耦合在一起的，因此只有在mtDNA连续复制的情况下，mtDNA基因的表达才会促使细胞通过氧化磷酸化产生ATP，这对于需要较多能量的细胞（如心脏、肌肉、神经和肝脏细胞）是必不可少的，其他细胞（如脾细胞）对氧化磷酸化没有严格要求，故而具有低mtDNA拷贝数[11]。
线粒体基因组一个重要的特征是其在细胞中的高拷贝数，这也被认为是多发性肿瘤的病理表现，由于线粒体在子代细胞中是随机分裂的，所以在细胞分裂期间可能存在两种情况：同质（相同分子）或者异质（不同mtDNA变体共存）。线粒体的这种性质是理解mtDNA突变对细胞影响的关键。因此，细胞最终的表型不仅取决于突变和基因影响的程度，还取决于线粒体异质型所占的比例，该现象被称为“阈效应”。mtDNA拷贝数是被严格控制的，但可以在不同组织之间有所变化以及根据环境条件而变化，以确保氧化磷酸化功能能够适应细胞的需求[12]，这种适应机制同样适用于肿瘤细胞[13-14]。mtDNA拷贝数的变化和不同类型癌症的发生之间存在着某种相关性，高水平与淋巴瘤的高风险有关，但对于骨癌则意味着低风险[15]。 1.4mtDNA损伤和突变
与nDNA相比较，mtDNA易于突变，这可能与其独特的生物学环境和特性有关[16]。对于整个mtDNA结构来说，损伤易发生在D-环区域，特别是两个高变区（np 16024～16083和np 57～372）。在众多类型的D-环损伤中，D310突变是最常见的一种[17-19]。在D-环np 303～316之间有一段在np 310位点插入胸腺嘧啶的多具胞嘧啶（5′-C303CCCCC-CT310CCCCCC316-3′），一般来说胸腺嘧啶后的胞嘧啶数目恒定为6，然而胸腺嘧啶之前的胞嘧啶数目是高度可变的，通常为7（7-C），但是6-C、8-C、9-C也常见报道[20]。mtDNA D-环在np 303～309之间的胞嘧啶数目变化被称为D310多态性或D310序列变异性。
2mtDNA与肿瘤的相关性
2.1肿瘤中的mtDNA突变
mtDNA的突变，例如缺失、点突变和拷贝数异常等都与许多类型的癌症密切相关。有研究人员对mtDNA的D-环突变进行了定量评价，包括D310区域在内的D-环突变在头颈癌[21]、肺癌[22]、乳癌[23]等恶性肿瘤中都有报道。对72对TESCC 的分析揭示了mtDNA D310从食管肌到食管黏膜的同质性到异质性分布，以及mtDNA D310从食管非肿瘤黏膜到TESCC、再到转移性淋巴结的异质性至同质性再分布，并且此变化伴随有mtDNA拷贝数的增加[24]。因此，D310突变对线粒体在肿瘤组织生物能功能方面的影响值得进一步研究。
REZNIK等[25]对癌症基因组图谱（TCGA）联盟的数据进行分析，结果显示，与邻近的正常组织相比，许多肿瘤中的mtDNA拷贝数发生了改变，且肿瘤类型不同mtDNA拷贝数的变化也不同;mtDNA水平在肾癌（透明细胞和乳头状突起亚型）、乳癌、膀胱癌、肝癌、头颈鳞状细胞癌、食管癌中是下降的，而在胸腺癌中是升高的。此外，有研究者在泌尿系统恶性肿瘤病人[26]、睾丸生殖细胞癌病人[27]和接受放射性治疗后的肺癌病人[28]中观察到循环mtDNA拷贝数升高。有研究显示，在乳腺肿瘤组织中mtDNA含量显著下降，而在甲状腺肿瘤组织中mtDNA含量则是增加的[29]。无论mtDNA的拷贝数是增加还是减少，这些来自不同癌症的结果都提示线粒体功能发生了改变。
2.2mtDNA参与癌变
肿瘤通常具有多个mtDNA变体[30]，这些变体随机分布且水平各异。有数据表明，体细胞mtDNA突变的影响和肿瘤的发生或程度取决于突变的功能和阈值效应[31-33]。越来越多的證据表明，mtDNA变化可能参与了细胞的癌变，并且最终导致组织的侵袭和转移[34-36]。例如，LIN等[37]对29例新辅助化疗后非小细胞肺癌样本的研究结果显示，癌组织中mtDNA拷贝数与mtDNA的氧化损伤程度显著相关，而mtDNA的低拷贝数和低程度的mtDNA氧化损伤与化疗后的肺癌进展有关。
不仅如此，mtDNA在诱导肿瘤发生中也发挥了重要作用。例如，在GBM模型中，mtDNA耗尽和mtDNA非耗尽的细胞分别被移植到免疫缺陷小鼠中，肿瘤会以不同的速率形成：与源自mtDNA未耗尽细胞的肿瘤相比较，源自耗尽50% mtDNA细胞的肿瘤以加速的速率生长;源自耗尽20% mtDNA细胞的肿瘤发展缓慢，但与mtDNA非耗尽型肿瘤相比，其在晚期发展得更快;然而与mtDNA非耗尽型肿瘤相比，源自mtDNA耗至3.0%和0.2%细胞的肿瘤却表现出了发展迟缓[38]。有研究者将mtDNA缺失的小鼠乳癌细胞移植到免疫受损的小鼠中诱发肿瘤，结果从小鼠肿瘤周围基质中检测到了mtDNA，这再次证明了mtDNA在肿瘤发生中的重要性[30]。
为了阐明肿瘤发生与mtDNA变化之间的关系，LEE等[39]使用3种肿瘤发生模型（多形性成胶质细胞瘤、多发性骨髓瘤和骨肉瘤）研究表明，mtDNA在早期和晚期肿瘤进展中起决定作用。部分或完全耗尽mtDNA的肿瘤细胞可恢复其mtDNA含量或主动募集mtDNA，从而影响肿瘤发生率。然而，mtDNA未耗尽的肿瘤细胞在肿瘤早期和晚期以mtDNA基因特异性的方式来调节mtDNA拷贝数。在多形性胶质细胞瘤和骨肉瘤中，这一过程伴随着mtDNA变体的丢失和获得。mtDNA基因型的变化影响了早期和晚期肿瘤的形态和基因表达模式，这也为肿瘤治疗提供了新靶点。
2.3mtDNA与癌症进程
虽然mtDNA变化的增强似乎是恶性细胞一般的分子标志，但是这些变化是否直接触发了一系列级联反应使其足以产生有利于肿瘤发生和进展的突变表型，以及它们在其中发挥的独特作用仍然不甚明了。相关研究已证实，mtDNA变化能够通过增强肿瘤细胞的侵袭性和转移潜力来加速肿瘤转化和癌症进展。
CUI等[40]的研究结果显示，与相应的非癌组织相比较，结直肠癌组织的mtDNA拷贝数较低，且与淋巴结转移有显著相关性。TU等[41]对1 751例局部前列腺癌病人的外周血mtDNA进行分析，结果表明，低mtDNA拷贝数与前列腺癌的侵袭性相关，其他相关研究也证明了这一点[42-43]。ZHANG等[44]研究了胶质瘤病人mtDNA拷贝数变化情况，结果显示，与对照组相比，胶质瘤病人的mtDNA拷贝数增加，且这种增加与肿瘤分级、复发和死亡呈负相关，尤其是增加的mtDNA拷贝数与病人更长的存活时间密切相关。而一项针对头颈癌mtDNA的研究结果显示，头颈癌病人的mtDNA拷贝数明显增高，mtDNA拷贝数与癌症进程相关，且与病人的生存率呈负相关[45]。
2.4mtDNA作为肿瘤标记物
近年来，通过检测临床样本中的肿瘤特异性遗传标记来进行肿瘤筛查已取得了飞速发展。作为早期肿瘤检测的分子工具，mtDNA与nDNA相比有其独特的优点。mtDNA长度短、结构简单，这使得其全基因扫描比使用nDNA更加简便、高效。不仅如此，mtDNA分子较高的丰度能够显著地增强其作为生物感应器的能力，在辨别罕见恶性细胞甚至单个细胞方面提高了灵敏度和准确性。病人的体液（例如外周血、唾液、尿液和乳液）便于获得，这就使得检测不同肿瘤中突变的mtDNA变得容易起来[21]。 GEURTS-GIELE等[46]在多种类型的肿瘤中評估了线粒体D310突变分析在肿瘤克隆性诊断中的价值。其研究显示，D310单核苷酸重复在几种类型肿瘤（包括乳腺、头颈部、肺、结直肠和皮肤肿瘤）中频繁发生突变。在全部样本中，有26%的病人在至少一种肿瘤组织中检测到了D310突变;对于这些病人，D310突变可用于确定其多发性肿瘤之间的克隆关系。他们的研究还表明，D310是跟踪癌细胞克隆扩增的良好标志物，D310突变可能在临床上有助于确定同时性或异时性肿瘤的克隆形成能力。
不仅如此，肿瘤病人血浆和血清中循环游离细胞（ccf）mtDNA的发现也激发了人们对其诊断价值的兴趣。事实上，ccf mtDNA已经在许多实体瘤中被当作新的有效的诊断和预后标志物。MAHMOUD等[47]研究表明，乳癌组织中的mtDNA水平均显著高于对照组（良性疾病病人和健康人），并且具有良好的预后参考价值。ELLINGER等[26]报道，泌尿系统恶性肿瘤病人血清中的ccf mtDNA水平显著增加，且mtDNA完整性与病人的病理分期和肿瘤分级相关。LI等[48]对116例乙型肝炎病毒（HBV）相关的肝细胞癌（HCC）和232例病程匹配非癌HBV感染对照的血清样品进行了循环mtDNA含量检测，结果显示，HCC病例的循环mtDNA含量明显低于对照组。与mtDNA含量较高的HBV感染病人相比较，mtDNA含量较低的病人患HCC的风险显著升高。一项基于大样本量胃癌的研究结果显示，低mtDNA拷贝数与胃癌的高风险之间存在着某种关联，且可以作为胃癌诊断的早期指标[49]。虽然肿瘤病人血液中ccf mtDNA变化的主要来源尚不完全清楚，但其作为肿瘤生物标志物的潜在用途是显而易见的。鉴于目前尚无可靠的早期癌症诊断方案，若经过严格的验证，基于mtDNA的生物标志物的发展可能能够有效地补充目前的早期检测体系，从而提高癌症诊断的灵敏度和特异性，为临床医生制定或优化治疗方案提供进一步有用的信息。
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1.1mtDNA的结构
位于线粒体内膜的mtDNA是闭合的环状双链DNA分子，其内侧链被称为轻链（L链），外侧链被称为重链（H链）。人mtDNA由一个非编码区（又称D-环）和一个编码区组成。经测序可知，D-环大小为1 124 bp（16024→16569 →1→576），是调控mtDNA转录和复制必不可少的区域，H链和L链的启动子以及H链的复制起始位点均位于D-环，而L链的复制起始位点则位于编码区[4]。编码区位于np 577至np 16023，编码22个tRNA（14个在H链，8个在L链）、2个rRNA（在H链）以及13个（12个在H链，1个在L链）与电子传递和氧化磷酸化相关的多肽，这些多肽是构成呼吸酶复合物所需的组分，包括了复合物Ⅰ中的7种（ND1、ND2、ND3、ND4、ND4L、ND5和ND6）、复合物Ⅲ中的1种（细胞色素b）、复合物Ⅳ中的3种 （COX Ⅰ、COX Ⅱ和COX Ⅲ）和复合物Ⅴ中的2种（ATP酶6和ATP酶8），只有ND6多肽在L链中编码，而其他12种多肽在H链中编码。除了这13种多肽外，构成呼吸酶复合物的大约90种多肽在核DNA（nDNA）中编码，复合物Ⅱ（琥珀酸-辅酶Q氧化还原酶）的所有亚基则是完全由nDNA编码。虽然线粒体有自己的基因组，但是调节mtDNA复制和转录所需的所有蛋白质均为nDNA编码。
1.2mtDNA的复制
众所周知，mtDNA复制不与细胞周期同步，并且独立于nDNA复制而发生。然而，所有与mtDNA复制相关的反式作用因子都由nDNA编码，这表明细胞核在调控mtDNA拷贝数方面扮演了重要的角色。由于转录和复制在线粒体中是偶联的，因此转录相关的蛋白也参与了复制。核编码的mtDNA关键复制因子包括线粒体特异性聚合酶γ（POLG）、线粒体DNA单链结合蛋白（mtSSB）、线粒体解旋酶（Twinkle）和线粒体转录因子A（TFAM）[5]。POLG是动物线粒体中唯一已知DNA聚合酶[6]，是由分子量分别为12万～14万的催化核心和3.5万～5.0万的亚基组成的异二聚体复合物。亚基参与了RNA引物结合，并且还结合dsDNA。过去人们认为，线粒体中的DNA修复和重组是非常有限的，但POLG具有的3′至5′外切酶活性，以及5′脱氧核糖磷酸合酶活性打破了这一观念。POLG的组分在一定程度上具有进行mtDNA复制和修复所需的所有活性。mtSSB和Twinkle在复制过程中一起发挥作用导致了螺旋的不稳定[7-8]。mtSSB是一种分子量为1.3万～1.5万的蛋白，通常组成分子量为5.6万的四聚体，对DNA具有高亲和力。Twinkle由mtSSBP激活以提高POLG的持续性和保真度。TFAM是核型结构的必要组分，对于转录和复制起始是必需的[9]。TFAM除了为mtDNA提供结构外，还被认为调控了在D-环（线粒体基因组的顺式调节区）的蛋白质结合。重要的是，有实验表明mtDNA量与总TFAM水平呈正比[10]。
1.3mtDNA拷贝数
在人细胞中，线粒体分布在细胞质中以形成线粒体网，在大多数时间这些线粒体中的大多数彼此连接。一般来说，每个细胞中含有数百至几千不等的线粒体，每个线粒体有2～10个mtDNA拷贝，因此一个细胞的线粒体基质中有几千个拷贝的mtDNA分子。由于mtDNA的转录和复制是紧密耦合在一起的，因此只有在mtDNA连续复制的情况下，mtDNA基因的表达才会促使细胞通过氧化磷酸化产生ATP，这对于需要较多能量的细胞（如心脏、肌肉、神经和肝脏细胞）是必不可少的，其他细胞（如脾细胞）对氧化磷酸化没有严格要求，故而具有低mtDNA拷贝数[11]。
线粒体基因组一个重要的特征是其在细胞中的高拷贝数，这也被认为是多发性肿瘤的病理表现，由于线粒体在子代细胞中是随机分裂的，所以在细胞分裂期间可能存在两种情况：同质（相同分子）或者异质（不同mtDNA变体共存）。线粒体的这种性质是理解mtDNA突变对细胞影响的关键。因此，细胞最终的表型不仅取决于突变和基因影响的程度，还取决于线粒体异质型所占的比例，该现象被称为“阈效应”。mtDNA拷贝数是被严格控制的，但可以在不同组织之间有所变化以及根据环境条件而变化，以确保氧化磷酸化功能能够适应细胞的需求[12]，这种适应机制同样适用于肿瘤细胞[13-14]。mtDNA拷贝数的变化和不同类型癌症的发生之间存在着某种相关性，高水平与淋巴瘤的高风险有关，但对于骨癌则意味着低风险[15]。 1.4mtDNA损伤和突变
与nDNA相比较，mtDNA易于突变，这可能与其独特的生物学环境和特性有关[16]。对于整个mtDNA结构来说，损伤易发生在D-环区域，特别是两个高变区（np 16024～16083和np 57～372）。在众多类型的D-环损伤中，D310突变是最常见的一种[17-19]。在D-环np 303～316之间有一段在np 310位点插入胸腺嘧啶的多具胞嘧啶（5′-C303CCCCC-CT310CCCCCC316-3′），一般来说胸腺嘧啶后的胞嘧啶数目恒定为6，然而胸腺嘧啶之前的胞嘧啶数目是高度可变的，通常为7（7-C），但是6-C、8-C、9-C也常见报道[20]。mtDNA D-环在np 303～309之间的胞嘧啶数目变化被称为D310多态性或D310序列变异性。
2mtDNA与肿瘤的相关性
2.1肿瘤中的mtDNA突变
mtDNA的突变，例如缺失、点突变和拷贝数异常等都与许多类型的癌症密切相关。有研究人员对mtDNA的D-环突变进行了定量评价，包括D310区域在内的D-环突变在头颈癌[21]、肺癌[22]、乳癌[23]等恶性肿瘤中都有报道。对72对TESCC 的分析揭示了mtDNA D310从食管肌到食管黏膜的同质性到异质性分布，以及mtDNA D310从食管非肿瘤黏膜到TESCC、再到转移性淋巴结的异质性至同质性再分布，并且此变化伴随有mtDNA拷贝数的增加[24]。因此，D310突变对线粒体在肿瘤组织生物能功能方面的影响值得进一步研究。
REZNIK等[25]对癌症基因组图谱（TCGA）联盟的数据进行分析，结果显示，与邻近的正常组织相比，许多肿瘤中的mtDNA拷贝数发生了改变，且肿瘤类型不同mtDNA拷贝数的变化也不同;mtDNA水平在肾癌（透明细胞和乳头状突起亚型）、乳癌、膀胱癌、肝癌、头颈鳞状细胞癌、食管癌中是下降的，而在胸腺癌中是升高的。此外，有研究者在泌尿系统恶性肿瘤病人[26]、睾丸生殖细胞癌病人[27]和接受放射性治疗后的肺癌病人[28]中观察到循环mtDNA拷贝数升高。有研究显示，在乳腺肿瘤组织中mtDNA含量显著下降，而在甲状腺肿瘤组织中mtDNA含量则是增加的[29]。无论mtDNA的拷贝数是增加还是减少，这些来自不同癌症的结果都提示线粒体功能发生了改变。
2.2mtDNA参与癌变
肿瘤通常具有多个mtDNA变体[30]，这些变体随机分布且水平各异。有数据表明，体细胞mtDNA突变的影响和肿瘤的发生或程度取决于突变的功能和阈值效应[31-33]。越来越多的證据表明，mtDNA变化可能参与了细胞的癌变，并且最终导致组织的侵袭和转移[34-36]。例如，LIN等[37]对29例新辅助化疗后非小细胞肺癌样本的研究结果显示，癌组织中mtDNA拷贝数与mtDNA的氧化损伤程度显著相关，而mtDNA的低拷贝数和低程度的mtDNA氧化损伤与化疗后的肺癌进展有关。
不仅如此，mtDNA在诱导肿瘤发生中也发挥了重要作用。例如，在GBM模型中，mtDNA耗尽和mtDNA非耗尽的细胞分别被移植到免疫缺陷小鼠中，肿瘤会以不同的速率形成：与源自mtDNA未耗尽细胞的肿瘤相比较，源自耗尽50% mtDNA细胞的肿瘤以加速的速率生长;源自耗尽20% mtDNA细胞的肿瘤发展缓慢，但与mtDNA非耗尽型肿瘤相比，其在晚期发展得更快;然而与mtDNA非耗尽型肿瘤相比，源自mtDNA耗至3.0%和0.2%细胞的肿瘤却表现出了发展迟缓[38]。有研究者将mtDNA缺失的小鼠乳癌细胞移植到免疫受损的小鼠中诱发肿瘤，结果从小鼠肿瘤周围基质中检测到了mtDNA，这再次证明了mtDNA在肿瘤发生中的重要性[30]。
为了阐明肿瘤发生与mtDNA变化之间的关系，LEE等[39]使用3种肿瘤发生模型（多形性成胶质细胞瘤、多发性骨髓瘤和骨肉瘤）研究表明，mtDNA在早期和晚期肿瘤进展中起决定作用。部分或完全耗尽mtDNA的肿瘤细胞可恢复其mtDNA含量或主动募集mtDNA，从而影响肿瘤发生率。然而，mtDNA未耗尽的肿瘤细胞在肿瘤早期和晚期以mtDNA基因特异性的方式来调节mtDNA拷贝数。在多形性胶质细胞瘤和骨肉瘤中，这一过程伴随着mtDNA变体的丢失和获得。mtDNA基因型的变化影响了早期和晚期肿瘤的形态和基因表达模式，这也为肿瘤治疗提供了新靶点。
2.3mtDNA与癌症进程
虽然mtDNA变化的增强似乎是恶性细胞一般的分子标志，但是这些变化是否直接触发了一系列级联反应使其足以产生有利于肿瘤发生和进展的突变表型，以及它们在其中发挥的独特作用仍然不甚明了。相关研究已证实，mtDNA变化能够通过增强肿瘤细胞的侵袭性和转移潜力来加速肿瘤转化和癌症进展。
CUI等[40]的研究结果显示，与相应的非癌组织相比较，结直肠癌组织的mtDNA拷贝数较低，且与淋巴结转移有显著相关性。TU等[41]对1 751例局部前列腺癌病人的外周血mtDNA进行分析，结果表明，低mtDNA拷贝数与前列腺癌的侵袭性相关，其他相关研究也证明了这一点[42-43]。ZHANG等[44]研究了胶质瘤病人mtDNA拷贝数变化情况，结果显示，与对照组相比，胶质瘤病人的mtDNA拷贝数增加，且这种增加与肿瘤分级、复发和死亡呈负相关，尤其是增加的mtDNA拷贝数与病人更长的存活时间密切相关。而一项针对头颈癌mtDNA的研究结果显示，头颈癌病人的mtDNA拷贝数明显增高，mtDNA拷贝数与癌症进程相关，且与病人的生存率呈负相关[45]。
2.4mtDNA作为肿瘤标记物
近年来，通过检测临床样本中的肿瘤特异性遗传标记来进行肿瘤筛查已取得了飞速发展。作为早期肿瘤检测的分子工具，mtDNA与nDNA相比有其独特的优点。mtDNA长度短、结构简单，这使得其全基因扫描比使用nDNA更加简便、高效。不仅如此，mtDNA分子较高的丰度能够显著地增强其作为生物感应器的能力，在辨别罕见恶性细胞甚至单个细胞方面提高了灵敏度和准确性。病人的体液（例如外周血、唾液、尿液和乳液）便于获得，这就使得检测不同肿瘤中突变的mtDNA变得容易起来[21]。 GEURTS-GIELE等[46]在多种类型的肿瘤中評估了线粒体D310突变分析在肿瘤克隆性诊断中的价值。其研究显示，D310单核苷酸重复在几种类型肿瘤（包括乳腺、头颈部、肺、结直肠和皮肤肿瘤）中频繁发生突变。在全部样本中，有26%的病人在至少一种肿瘤组织中检测到了D310突变;对于这些病人，D310突变可用于确定其多发性肿瘤之间的克隆关系。他们的研究还表明，D310是跟踪癌细胞克隆扩增的良好标志物，D310突变可能在临床上有助于确定同时性或异时性肿瘤的克隆形成能力。
不仅如此，肿瘤病人血浆和血清中循环游离细胞（ccf）mtDNA的发现也激发了人们对其诊断价值的兴趣。事实上，ccf mtDNA已经在许多实体瘤中被当作新的有效的诊断和预后标志物。MAHMOUD等[47]研究表明，乳癌组织中的mtDNA水平均显著高于对照组（良性疾病病人和健康人），并且具有良好的预后参考价值。ELLINGER等[26]报道，泌尿系统恶性肿瘤病人血清中的ccf mtDNA水平显著增加，且mtDNA完整性与病人的病理分期和肿瘤分级相关。LI等[48]对116例乙型肝炎病毒（HBV）相关的肝细胞癌（HCC）和232例病程匹配非癌HBV感染对照的血清样品进行了循环mtDNA含量检测，结果显示，HCC病例的循环mtDNA含量明显低于对照组。与mtDNA含量较高的HBV感染病人相比较，mtDNA含量较低的病人患HCC的风险显著升高。一项基于大样本量胃癌的研究结果显示，低mtDNA拷贝数与胃癌的高风险之间存在着某种关联，且可以作为胃癌诊断的早期指标[49]。虽然肿瘤病人血液中ccf mtDNA变化的主要来源尚不完全清楚，但其作为肿瘤生物标志物的潜在用途是显而易见的。鉴于目前尚无可靠的早期癌症诊断方案，若经过严格的验证，基于mtDNA的生物标志物的发展可能能够有效地补充目前的早期检测体系，从而提高癌症诊断的灵敏度和特异性，为临床医生制定或优化治疗方案提供进一步有用的信息。
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