摘要
线粒体代谢必须不断适应压力条件，以维持与细胞功能相关的生物能量水平。这种缺乏适当适应的情况在包括癌症在内的多种疾病中都可以看到。代谢适应需要线粒体功能，并利用线粒体储备来满足日益增长的需求。在线粒体呼吸参数中，储备呼吸能力 (SRC) 是评估线粒体储备的特别强大的功能参数。我们概述了潜在的 SRC 机制和调节，重点介绍了其在癌细胞中的特殊意义。
引言
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线粒体代谢是细胞功能动态环境中不可或缺的一部分。一般来说，线粒体呼吸作用处于基础水平，足以满足日常需求，例如维持蛋白质周转和离子稳态。根据细胞状况，能量需要定期上升和下降，因此需要精细调节 ATP 生成，以避免无用的能量消耗，并完美满足细胞需求。为了实现能量适应，呼吸速率受到 ATP 需求的严格控制，当需要时，线粒体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，基础水平代表最大呼吸能力的一个可变部分，这取决于细胞类型。例如，据观察，肝细胞仅使用其最大呼吸能力的约 30% 来维持基础呼吸。1 基础呼吸和最大呼吸之间的差异构成了线粒体储备（ 图 1 ） 。使用了各种术语，例如解偶联控制率、 2 线粒体储备能力 3 或线粒体备用呼吸能力 4。后者“备用呼吸能力”（SRC）将在整个综述中使用。线粒体功能是一个高度动态的过程，细胞可以在需要时调动 SRC。因此，SRC 表征了线粒体在急性细胞应激或繁重工作负荷下满足超出基础水平的额外能量需求的能力，从而避免 ATP 危机。2 SRC 可被视为线粒体适应性的指标，是“健康”线粒体的反映 1 (图 1 )。耐力训练和热量限制可以提高 SRC 水平。因此，在需要最多能量的“氧化组织”（如心脏、大脑或肌肉）中，将 SRC 作为线粒体适应性的标志物可能具有惊人的相关性。
图1 A， 上部使用 Seahorse XFe24 测定耗氧率 (OCR) 值后获得的线粒体呼吸参数示意图。注射寡霉素和 FCCP 后确定备用呼吸能力。备用呼吸能力的相对值通过以下计算确定：最大 OCR /（基础 OCR *100）； 下部在寡霉素和 FCCP 之前（偶联状态）和之后（非偶联状态）的线粒体呼吸链功能示意图。FCCP 允许质子重新进入线粒体，从而短路 ATP 合酶。寡霉素抑制 ATP 合酶，阻止其逆向操作；B，线粒体健康示意图：与备用呼吸能力水平低的细胞不同，备用呼吸能力水平高的细胞对压力条件的适应性更高
此外，SRC 水平与线粒体的可塑性程度相关，线粒体可塑性允许生物能量适应病理生理应激条件。5 SRC 水平不足与病理状况有关。低 SRC 水平可能与基础条件下不可见的线粒体功能障碍相对应，但只有当呼吸速率接近其上限时才会显现出来。3 SRC 耗竭与多种心血管和神经系统慢性疾病有关。事实上，SRC 水平不足以产生所需的能量，应激细胞会遭受 ATP 危机，遭受痛苦，然后面临细胞死亡的风险。2 此外 ，最近的证据表明，线粒体储备也可能在癌细胞代谢中发挥重要作用（见下文）。事实上，已经确定糖酵解不是癌细胞独特的代谢表型，线粒体代谢可以为肿瘤发生、转移发展和癌症耐药性的产生提供能量和合成代谢需求。
总体而言，SRC 是参与细胞增殖、分化和死亡代谢途径动态的重要参数，影响非转化细胞和癌细胞。在所有线粒体参数中，SRC 具有明显的优势，因为它具有低变异性和高灵敏度。4 临床研究表明，SRC 是一个可重复的内部标准化参数，并且可能与确定线粒体适应性有关。
在本综述中，我们将讨论有关线粒体呼吸储备能力的新兴概念。具体来说，我们将解决以下问题：如何定期评估 SRC？在细胞环境中，SRC 是如何维持的？ SRC 在非转化细胞和癌细胞中起什么作用和意义？
2. 检测储备呼吸能力的方法
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通常，线粒体的呼吸储备能力是通过血氧测定来确定的。SRC 值是通过从最大氧消耗中减去基础呼吸而获得的，最大氧消耗是通过滴定暴露于解偶联剂（例如羰基氰化物-对三氟甲氧基苯腙 (FCCP)）而获得（图 1 ）。FCCP 是一种质子载体，可使质子快速转位穿过线粒体内膜，从而转移 FoF1-ATP 合酶的质子通量。由于这种解偶联效应，对 FCCP 暴露的反应会导致氧消耗急剧增加，以保持质子梯度 。6 因此，SRC 被动员起来以抵消 FCCP 引发的质子泄漏。
从实用角度来看，优化 FCCP 的最佳剂量至关重要，因为这样可以实现不受控制的呼吸，而不会诱导细胞死亡 。7 需要注意的是，FCCP 浓度需要进一步的剂量优化研究。获得 SRC 的最佳 FCCP 剂量取决于实验参数，例如温度 8 ，过度解偶联会促进 ROS 依赖性细胞死亡并最终导致能量危机 。9 由于最佳剂量会根据不同的实验条件而变化，因此最好按顺序添加解偶联剂以达到最大速率（图 1 ）。
或者，也可以使用温和的解偶联剂，例如 2,4-二硝基苯酚 (DNP)、丁羟甲苯 (BHT) 或 Bam15。10、11 这种评估方法的一个缺点是 FCCP 或其他解偶联剂会人为模拟能量需求，而这些需求不受生理调节 。12 通常，SRC 由寡霉素 A（即 ATP 合酶抑制剂）的存在决定（图 1 ）。因此，通常 SRC 评估决定最大呼吸能力，而不依赖于 ATP 合酶（图 1 ）。从这个程度上说，SRC 水平的测量更能表明呼吸抵消质子泄漏的情况，而不是产生 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，从而允许质子以牺牲 ATP 为代价进入膜间隙。13 添加寡霉素还可能限制提供氧化途径的 ATP 依赖性过程。因此，寡霉素的存在导致对最大呼吸作用的估计严重低估，因此 SRC 的估计值在 25% 到 45% 之间 。14 最后，在解释 SRC 时，必须记住，这些实验条件排除了质子循环和氧化磷酸化对 O2 消耗的控制的任何影响。
显然，线粒体在分离时会表现出改变的功能活性。因此，SRC 测定应始终在完整细胞中进行。与分离的线粒体相比，这种情况的优势在于更能代表体内线粒体的状态，因为线粒体与细胞其他部分（例如能量通路）的相互作用得以保留。使用实时分析耗氧量的技术进步为在完整细胞培养模型中准确测定 SRC 水平提供了机会（图 1 ）。
显然，线粒体在分离时会表现出改变的功能活性。因此，SRC 测定应始终在完整细胞中进行。与分离的线粒体相比，这种情况的优势在于更能代表体内线粒体的状态，因为线粒体与细胞其他部分（例如能量通路）的相互作用得以保留。使用实时分析耗氧量的技术进步为在完整细胞培养模型中准确测定 SRC 水平提供了机会（图 1 ）。
3. 维持储备呼吸能力的机制
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SRC 取决于多个参数，包括电子传输链和线粒体内膜的完整性、线粒体氧化能量底物的能力以及线粒体稳态的维持（图 2 ）。
图2 影响备用呼吸能力水平的因素示意图。备用呼吸能力主要取决于电子传递链功能、底物可用性和受上游传感器调节的线粒体生物合成（详情见正文）
3.1 SRC 依赖于线粒体电子传递链的完整性和线粒体内膜的质子通透性
在不同的细胞类型中，SRC 受呼吸链成分活性的制约。通过 LIF/STAT3 通路增加复合物 I 的表达可支持小鼠多能胚胎干细胞中的高 SRC 水平。6 在复合物 I 缺乏的成纤维细胞中，琥珀酸输送可增加 SRC， 12 表明复合物 II 的活性可能取代复合物 I 的活性来维持 SRC。在某些细胞类型（例如心肌细胞）中，即使存在功能齐全的复合物 I，复合物 II 的活性仍是 SRC 维持的主要因素。因此，复合物 II 亚基琥珀酸脱氢酶 A (SDHA) 的抑制可消除 SRC，而不会破坏基础呼吸速率 。10 与此一致，SDHA 与线粒体伴侣 TRAP1 的选择性相互作用和抑制也会消除肿瘤细胞中的 SRC。11 根据细胞类型，SRC 不仅受复合物 I 和 II 活性水平的限制。 因此，在髓系白血病细胞中，与正常外周单核细胞相比，复合物 III 的组成性弱酶活性是导致 SRC 水平较低的原因 。13 此外，还观察到，氧化引起的复合物 IV 酶活性的改变可导致应激条件下心肌细胞的 SRC 水平下降 。14 最后，据报道，呼吸链成分在更大的结构中组装，例如增强复合物催化活性的呼吸超复合物，有助于维持高 SRC 水平 。6
总而言之，根据细胞类型状态， 7 个线粒体呼吸复合体以及超复合体都可以被视为 SRC 调节的主要目标。
线粒体内膜的质子通透性是决定 SRC 水平的关键因素。线粒体内膜对质子的通透性较低，特别是由于存在必需的磷脂心磷脂。这种脂质组成对于形成质子梯度至关重要，而质子梯度是 ATP 合成所必需的。因此，线粒体内膜的完整性对于维持高 SRC 水平至关重要。因此，心磷脂含量的降低会降低 SRC 水平 。8 与此一致，轻度解偶联导致质子通透性适度增加，从而导致 ROS 生成减少而不影响 ATP 水平，这可能会降低 SRC 水平，可能是通过增加基础呼吸来实现的 。8、9
3.2 SRC 依赖于线粒体底物的可用性和 TCA 循环活性
SRC 可从 ETC 活动上游进行调节。10 事实上， SRC 受营养物质的流动和性质的影响，这些营养物质可通过 TCA 循环在线粒体基质中氧化。线粒体中的底物氧化是细胞和环境特异性的。根据细胞类型和条件，SRC 依赖于两种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，细胞使用丙酮酸来维持线粒体的 SRC。丙酮酸来自葡萄糖进入细胞溶胶的多步降解（即糖酵解）。糖酵解后，丙酮酸通过线粒体丙酮酸载体 (MPC) 进入线粒体基质，然后被氧化为乙酰辅酶 A，作为呼吸底物产生 ATP。丙酮酸的线粒体氧化受丙酮酸脱氢酶 (PDH) 多酶复合物的关键调节。在能量水平较低的情况下，例如由于对 ATP 的额外需求，丙酮酸产生及其线粒体氧化的激活使细胞能够动员 SRC。有广泛的证据表明，糖酵解衍生的丙酮酸氧化参与维持 SRC 水平。对于以高糖酵解率为特征的某些癌细胞尤其如此。因此，在肝癌中，己糖激酶 2 的遗传缺失会抑制糖酵解产生的丙酮酸，同时消除 SRC。15 同样，用单糖半乳糖代替葡萄糖培养的癌细胞的 SRC 水平低于常规葡萄糖培养基中的细胞。5 基因 16 或药理学 17 抑制线粒体丙酮酸载体 (MPC)（一种将丙酮酸跨线粒体内膜传导到基质的转运蛋白）会消除不同癌细胞类型中的 SRC。 因此， 通过 UK5099 药理学抑制 MPC 会降低许多细胞类型的 SRC。17、18 此外，通过降低丙酮酸脱氢酶 (PDH) 活性（丙酮酸氧化中的限速酶）来阻断线粒体中的丙酮酸利用，会抑制 SRC。10 低 SRC 水平与由于 HIF-1 α/PDH 激酶轴激活而导致的 PDH 活性降低有关 。10 此外，研究表明，缺氧条件（24 小时内 O 2 浓度低于 0.1%）会将丙酮酸通量从线粒体氧化转向乳酸，从而降低 SRC 水平（降低 60%-100%）。 10 相反，通过敲除 LDH A 同工酶（将丙酮酸降解为乳酸的关键酶）恢复丙酮酸流入线粒体基质，可诱导 SRC 水平显著增加六倍以上 。19 同样，用 PDK 抑制剂 DCA 激活 PDH 并不一定会改变基础氧消耗，但会导致 SRC 水平显著增加。10 类似地，通过 UCP2 过表达增加线粒体丙酮酸氧化会刺激 SRC。20 此外 ，在培养基中添加浓度不断增加的丙酮酸会显示癌细胞中剂量依赖性的 SRC 增加 。21 在以丙酮酸为唯一底物的培养基中培养的心肌细胞的 SRC 水平比在葡萄糖培养基中培养的细胞高三倍 。22
丙酮酸并不是支持 SRC 的唯一线粒体底物。造血细胞的线粒体优先氧化脂肪酸以维持 SRC。血小板 SRC 严重依赖于肉碱棕榈酰转移酶-1 (CPT-1) 的活性，该酶调节线粒体脂肪酸氧化 (FAO) 的重要步骤 。23 此外，外源脂肪酸的氧化似乎对造血细胞长期存活的 SRC 至关重要。高水平的 FAO 可在长寿 T 细胞 24 、接受 PD- 1 信号的长效 TcR 刺激的 T 细胞 25 或耐受性树突状细胞中维持高 SRC。26
新生儿肌细胞与人类诱导性多能干细胞衍生的心肌细胞不同，需要葡萄糖和棕榈酸的协同作用来维持 SRC，而单独葡萄糖就足以支持其基础呼吸 。10
这些结果表明，基础呼吸和 SRC 可以依赖于不同的营养物质组，并且这两个参数根据细胞环境具有不同的调节途径。
3.3 SRC 依赖于线粒体稳态
已清楚的是，细胞具有控制线粒体质量和数量的复杂机制。线粒体稳态通过协调过程来确保，包括线粒体生物合成和特异性消除有缺陷的线粒体（称为线粒体自噬）。这些线粒体质量控制机制调节 SRC 水平。观察发现，线粒体生物合成增加会导致 SRC 水平平行增加 。27 这种情况通常发生在对外部刺激（如运动或热量限制）的反应中。PGC1α 是参与线粒体生物合成的信号通路的主要调节器。在具有高 SRC 水平的一部分黑色素瘤中观察到 PGC1α 依赖性生物合成的激活。28、29 促进干细胞线粒体转录的转录因子 STAT- 3 也会增强 SRC。 6 相反，敲低线粒体转录因子 A (TFAM) 会显著降低 SRC 水平 。30
线粒体自噬是选择性清除受损功能障碍线粒体的备用过程。功能障碍的线粒体随后被新线粒体的生物生成所取代。因此，在提高线粒体质量的过程中，线粒体自噬参与维持 SRC 水平。因此，PINK/PARKIN 依赖性线粒体自噬的改变（家族性帕金森病的特征）会导致 SRC 水平严重下降。31、32 然而，过度的线粒体自噬如果没有同时增加线粒体的生物生成，则会导致 SRC 耗竭。过度表达 BNIP3（心肌细胞中线粒体自噬的强效诱导剂）的心肌细胞会降低 SRC 水平 ， 而不会影响基础呼吸 。33
总之，以上数据表明 SRC 依赖于多个线粒体参数，并且 SRC 变化使得无法确定特定的调节机制，但 SRC 测定确实提供了生物能量代谢的综合视图。
4. 储备呼吸能力水平的分子调节
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SRC 水平主要受来自线粒体内外的细胞信号的调控。如图 2 所示，许多互补信号汇聚在一起调节 SRC 水平。那些改变 ETC 和/或线粒体底物效率的信号与短期线粒体可塑性有关，而线粒体生物合成的变化则被视为长期调节剂。与此一致，几种调节线粒体生理学的药物可以通过实验影响 SRC 水平（表 1 ）。
表1 各种药物对非转化细胞和癌细胞 SRC 的影响
4.1 ETC 蛋白的翻译后调控
线粒体内的 Lon 蛋白酶是线粒体完整性的关键因子，可作为错误折叠的线粒体蛋白的伴侣。因此，Lon 蛋白酶参与维持足够的线粒体功能并提供足够的 SRC 水平也就不足为奇了。特别是，Lon 蛋白酶参与氧化线粒体蛋白的降解。34 Lon 蛋白酶靶向极易受到氧化损伤且需要更新以支持有效线粒体功能的蛋白质。因此，由于受损、氧化功能障碍的线粒体的维持，具有突变 Lon 蛋白酶的细胞以低 SRC 水平为特征 35。调节 SRC 水平的另一种机制依赖于线粒体 NAD 依赖性脱乙酰酶 Sirtuin-3。10 Sirtuin-3 由高 NAD+ 水平激活，由低细胞能量状态触发。Sirtuin-3 通过其强大的脱乙酰酶活性，靶向控制线粒体氧化的关键酶。Sirtuin-3 调节参与脂肪酸氧化和维持 SRC 所需的呼吸链的酶的活性。因此，Sirtuin-3 通过脱乙酰化 SDHA 的 13-赖氨酸乙酰化位点，维持心肌细胞中的 SRC 水平 10 ，从而增加其酶活性。36 此外 ，Sirtuin-3 可以通过增加抗氧化酶 SOD2 的活性来调节氧化平衡，从而可以上调 SRC 水平（见下文）。所有这些翻译后修饰都会协调主要线粒体氧化酶的活动并在 SRC 调节中发挥关键作用。
4.2 代谢传感器
AMP 依赖性激酶 (AMPK) 是一种丝氨酸/苏氨酸激酶，是一种关键的能量传感器。当 ATP 水平较低时，ADP:AMP 比率会增加，进而激活 AMPK。AMPK 激活负责调整细胞代谢以恢复能量，从而有助于 SRC 维持。从药理学上讲，AMPK 激动剂会逐渐提高 SRC 水平。37 AMPK -PPARα 通路的激活有利于 FAO ，并提高心肌细胞中的 SRC 水平。10 有趣的是，AMPK 激活还会导致参与线粒体生物合成和功能的几种因子的表达增加，包括 PGC-1α、Tfam 和 UCP2。38 高血糖会降低 SRC 水平 39 可能是通过下调 AMPK/PGC1α 轴实现的， 40 表明线粒体呼吸的适应性反应是为了应对营养过载。
4.3 氧化还原调节
氧化应激通过几种不同的机制显著降低 SRC。41 氧化还原对 SRC 的影响可能是可逆的，也可能是不可逆的，这取决于氧化应激的强度。42 低浓度的活性氧和氮物质暴露对基础呼吸的影响最小，但两种处理都会可逆地影响 SRC，这可能是由于 ETC 蛋白质修饰（如 S-硫代化）所致 。43 此外，二酰胺诱导的蛋白质 S-谷硫代化会引发可逆的线粒体反应，包括质子泄漏增加和 SRC 下调 。44 NADPH-氧化酶 4 (Nox4) 是一种组成性活性酶，可产生 H2O2，可抑制 SRC，尽管尚不清楚这种抑制作用是依赖于 ROS 生成还是依赖于 NRF2 依赖的线粒体生物合成控制。45 与此一致，线粒体抗氧化解毒酶 SOD2 的基因消融也会降低 SRC 水平。46、47 研究表明氧化脂质会降低 SRC，从而导致肌细胞死亡。48 在脂质过氧化产生的产物中， 4- 羟基-2-壬烯醛 (4-HNE) 是线粒体中产生的最具生物活性的化合物之一。4-HNE 与核酸、膜脂质和蛋白质中的功能基团形成共价加合物。线粒体蛋白-4-HNE 加合物可影响 ETC 蛋白，例如细胞色素 c 氧化酶。它们的存在会增加 ATP 相关的呼吸，但会消除 SRC，最终导致心脏在缺血或压力超负荷后出现生物能量崩溃和心肌细胞死亡 48。42 相反，线粒体同工酶醛脱氢酶-2 可解毒内源性 4-HNE，从而显著提高 SRC 水平 。49
4.4 信号通路
多年来，人们一直认为代谢途径的调节独立于驱动关键细胞功能的信号转导途径。最近，大量证据支持生长因子和细胞因子诱导的信号通路与包括线粒体代谢在内的代谢途径调节之间的相互作用。PI3K/AKT/mTOR 信号通路是非转化细胞中的主要 SRC 调节因子。在肝细胞中，与激活 PI3K/AKT 通路的 IGF-1 孵育可显著增加 SRC 并上调糖酵解。PI3K/AKT 通路负调节因子 PTEN 的敲除显示出比对照细胞更高的 SRC 和糖酵解 。50 与生长因子（如 PDGF、 51 G-CSF 52 或 IGF-1 53） 孵育后激活 PI3K/AKT 信号级联也会导致 SRC 水平呈剂量依赖性增加。通过与 PI3K/AKT 通路抑制剂 LY 294002 预孵育，可以抑制 SRC 上调 。53 同样，药物抑制 PI3K/AKT/mTOR 通路也会导致皮质神经元中的 SRC 水平显著降低 。54 PI3K/AKT/mTOR 依赖性的 SRC 水平增加有几种可能的解释。PI3K/AKT/mTOR 的激活可增强 (i) 线粒体质量和/或特定 ETC 蛋白的表达；例如，已证明 mTOR 上调线粒体生物合成的转录调节因子，包括 PGC1-α 55 和复合物 I 55 的核编码成分的表达；(ii) ETC 50,56 的关键酶 (复合物 I、III、IV) 的活性；或 (iii) 丙酮酸的利用。PI3K/AKT 的激活可增加线粒体中的糖酵解通量和丙酮酸氧化。因此，这种对 SRC 的影响可归因于 Akt 介导的对关键的 PDH 抑制剂 GSK3β 的抑制。结果，丙酮酸被完全氧化到线粒体基质中以维持高 SRC 水平。50 此外，最近有研究表明，mTOR 通过 mTOR 依赖的 MFN2 磷酸化促进丙酮酸激酶 M2 异构体 (PKM2) 与线粒体融合蛋白 2 (MFN2) 之间的相互作用 。57 这导致代谢从糖酵解转向线粒体 OXPHOS，同时 SRC 水平升高（最高可升高三倍）。
细胞因子触发的另一种重要信号通路参与了 SRC 水平的调节。细胞因子激活 Janus 激酶 (JAK)，该激酶磷酸化 STAT 蛋白，STAT 蛋白转位到细胞核上调急性期基因的表达。细胞因子激活的 JAK/STAT 信号通路也参与了几种细胞类型代谢的调节 。58 有趣的是，STAT 的非经典效应不同于其作为核转录因子的经典作用。事实上，一小池磷酸化 (磷酸化-S727) STAT3 蛋白位于线粒体基质内，在那里它激活线粒体氧化，包括 SRC 和 ATP 的产生。大多数研究表明，线粒体 STAT3 的存在以浓度依赖性方式增加了线粒体复合物 I 和 II 的活性。59 尽管确切机制尚不清楚，但有人提出 STAT-3 可以与特定的电子传递复合物相互作用并使其稳定。因此，在暴露于 IL-6 后，线粒体 STAT3 可以促进超级复合物的形成以及超级复合物中的复合物 I 活性 。60 或者，据报道，在细胞因子白血病抑制因子 (LIF) 刺激下，线粒体 STAT3 特异性上调 ES 细胞中编码复合物 I 的几种成分的线粒体基因的转录，与 mtDNA 的直接转录一致 。6
最后，MAPK 通路的激活也参与了癌症中 SRC 水平的调节，这将在下一章中详细介绍（见下文）。
上述研究强调了负责 SRC 调节的关键信号通路之间的复杂相互作用，并强调了在细胞特定环境中解释 SRC 的严格要求的必要性。
5 非转化细胞中的SRC测定
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5.1 生理条件下非转化细胞中的 SRC 水平存在差异
非转化细胞中的 SRC 水平高度异质性 7 ，并且严格依赖于细胞生理学。18 例如，在血细胞中，单核细胞和淋巴细胞中的 SRC 水平更高；而在血小板中，SRC 水平接近基础值 ， 仅达到最大线粒体呼吸的 20% 。61 SRC 水平的这种差异可能与不同血细胞类型中功能性线粒体的数量不同有关。来自不同大脑区域的神经元亚群之间也观察到了 SRC 水平的异质性。中脑多巴胺能神经元本质上通过激活生化多巴胺生物合成途径而受到氧化应激，与其他神经元群相比，其 SRC 水平较低。62 同样，皮质星形胶质细胞的 SRC 水平比基础呼吸值高 1.5 倍，而皮质神经元的 SRC 水平比基础值高 3 倍 63 强调了在解释 SRC 值时绝对需要考虑细胞环境。与此一致，SRC 水平最低的组织对线粒体靶向药物也最敏感。这一发现解释了为什么纹状体是对农药复合物 I 抑制剂（如鱼藤酮）最敏感的区域，鱼藤酮是一种导致帕金森病的损伤形式 。64
不管这些考虑如何，SRC 水平的显著变化可能与某些生理情况有关，包括分化过程、衰老和免疫反应。在这些情况下，SRC 水平更多地反映了细胞生理学，而不是线粒体功能障碍。
5.1.1 增殖细胞与分化细胞中的 SRC 水平
SRC 水平低（低于基础呼吸值的 1.5-2 倍）的细胞通常是增殖细胞。这对于癌细胞（见下文）是正确的，但对于一些增殖性非转化细胞（如成肌细胞）也是如此 。63 可以假设增殖细胞大量利用线粒体储备来响应细胞复制的生物合成需求 。63
相反，高 SRC 水平（超过基础呼吸值的 1.5-2 倍）是高度分化的有丝分裂后细胞的特征，尤其是对 ATP 有重要需求的分化细胞，如心肌细胞或肝细胞 。1 因此，原代肝细胞和成年心肌细胞的 SRC 水平分别比其基础水平高 3.5 倍和 2 倍。1 心肌细胞中相对较低的 SRC 水平似乎自相矛盾，因为这些细胞被认为是能量需求最高的细胞之一。然而，可以假设跳动的心肌细胞的高基础呼吸水平会降低 SRC 值。
有趣的是，在分化过程中，SRC 水平从干细胞逐渐增加到成熟分化细胞，最好是在细胞分化的终末阶段。因此，相比之下，有丝分裂后分化细胞的 SRC 水平高于干细胞或 iPS 细胞 65 ，即使它们的静息需求较低。皮质神经元分化与 PGC1α 和 TFAM 依赖性线粒体生物合成逐渐增加有关，这也取决于 PI3K/Akt/mTOR 通路的激活。在对应于树突生长和成熟的神经元分化后期， 54 以及对应于树突生长和成熟的神经元分化后期，SRC 水平有所增加。脂肪形成的多步骤过程构成了分化过程中 SRC 水平逐渐增加的另一个例子。脂肪细胞分化伴随着从糖酵解代谢向线粒体氧化磷酸化的代谢转换。在分化过程中，脂肪形成谱系的细胞逐渐形成高 SRC 水平（前脂肪细胞和成熟脂肪细胞之间最高可增加 6 倍），从而能够快速适应低血糖条件等代谢变化。66 分化过程中 SRC 水平的升高可通过终末分化过程中线粒体生物合成 67 和/或 Mfn-2 依赖性线粒体动力学 68 的上调来解释。然而，SRC 水平的增加严格取决于细胞环境，可能并不总是能观察到。因此，与脂肪细胞分化不同，间充质干细胞分化为软骨细胞并不伴随 SRC 激活。事实上，在软骨形成过程中，线粒体网络逐渐分裂，并与线粒体自噬过度消除线粒体有关。这些影响往往会减轻 SRC 的量级 。68
5.1.2 SRC 水平与衰老
衰老过程似乎会严重损害线粒体的结构和功能。一项针对 55 名不同年龄个体的皮肤成纤维细胞的队列研究表明，61 岁以上的捐赠者的 SRC 水平急剧降低，下调率为 20%。69 与年龄相关的线粒体功能障碍的机制很复杂，仍然难以捉摸。众所周知，与核基因组相比，mtDNA 更容易受到与年龄相关的突变和缺失积累的影响。因此，与年龄相关的 mtDNA 恶化会影响 ETC 的许多组成部分，也可能影响 SRC 水平。与年龄相关的 SRC 降低的机制不会仅限于 mtDNA 改变。在使用 CRISPR-Cas9 策略去除端粒的体外衰老模型中，神经元细胞中的 SRC 水平下降了 80% 。70 这种影响可以归因于 PARKIN 依赖性线粒体自噬的缺陷。氧化组织（例如大脑、心脏和骨骼肌）会受到与年龄相关的线粒体功能障碍和 SRC 负调节的影响。同样，这些机制可能是多因素的，因此 SRC 水平的变化变化很大，并且受个体间差异的影响（详见综述 71 ）。然而，人们可以推测，与衰老过程相关的 SRC 降低可能导致与年龄相关的心血管和神经系统疾病发病率增加。
5.1.3 SRC 水平与免疫反应和长寿细胞
在整个免疫反应过程中，T 细胞中的 SRC 水平会发生变化，不同的 T 细胞亚群具有不同的代谢特征 。72 在 CD4 + T 细胞中，效应 T 细胞需要糖酵解才能增殖、分化和存活，而调节性 T 细胞依赖线粒体 FAO，因此调节性 T 细胞亚群的 SRC 水平高于效应 T 细胞。73 与幼稚 T 细胞或效应 T 细胞相比，长寿的 CD8+ 记忆 T 细胞表现出主要的线粒体代谢，因此具有高 SRC 水平。24、74 CD8+ 记忆 T 细胞的糖酵解速率较弱，而是氧化脂肪酸来支持 TCA 循环和 SRC 水平。具有高 SRC 水平的 CD8+ 记忆 T 细胞还以 IL-15 刺激的线粒体生物合成为特征 。75 此外，线粒体代谢与免疫反应之间存在密切联系。强制线粒体融合使 CD8+ T 细胞采用以高 SRC 水平为特征的记忆表型 。76 有趣的是，CD8+ T 细胞中 PGC1α 依赖性线粒体生物合成的增加导致其效应细胞因子功能的改善，这表明 SRC 值可以看作是效应免疫功能的指标。
与 T 细胞一样，参与免疫反应的其他免疫细胞也依赖线粒体代谢来维持其生命或维持其功能。有趣的是，Toll 样受体激动剂可激活树突状细胞，导致糖酵解依赖性 SRC 水平显著增加，从而使这些细胞能够适应细胞间通讯、细胞因子分泌和迁移的能量需求 。77 同样，长期血浆 B 细胞具有高 SRC 水平 。18 有人提出，高 SRC 构成了一种生物能量优势，使免疫细胞在再感染期间能够更迅速、更有效地做出反应 。78 因此，SRC 测定可能有助于确定有效免疫细胞亚群的长期存活率。
5.2 非转化细胞的 SRC 水平和病理生理状况
5.2.1 神经退行性疾病和 SRC
据估计，神经元线粒体产生的 ATP 中有 50% 用于维持跨膜离子通量，近 30% 用于突触传递，这表明突触线粒体对于正常的神经元功能至关重要。因此，SRC 耗竭可能在神经系统疾病的发病机制中起着至关重要的作用，包括多种神经退行性疾病，如阿尔茨海默病 (AD)、帕金森病 (PD) 和肌萎缩侧索硬化症。在 AD 小鼠模型中，海马神经元表现出严重的 SRC 缺乏（与对照组相比低两倍）。这种线粒体功能障碍先于组织学症状的出现，表明其是该疾病的致病因素 。79 SRC 决定了神经元对缺氧、营养不足或兴奋性神经递质引起的细胞应激的敏感性程度。在这方面，N-甲基-D-天冬氨酸受体 (NMDAR) 的过度激活与突触功能障碍有关，NMDAR 是一种由神经递质谷氨酸门控的阳离子通道，与多种急性和慢性神经系统疾病有关。值得注意的是，NMDAR 的慢性激活会大大增加 ATP 需求，迫使神经元在细胞试图恢复初始 ATP 水平时使用其 SRC。因此，NMDAR 过度激活会严重降低可用的 SRC。9、80 神经退行性疾病中的 SRC 耗竭通常是多种机制复杂相互作用的结果。导致线粒体生物能量缺陷的可能机制包括：(i) 在某些以 Parkin、Pink 或 DJ-1 62 突变为特征的 PD 形式中，由于生理性线粒体自噬而维持功能障碍的线粒体；(ii) 氧化应激在包括肌萎缩侧索硬化症在内的疾病进展中起主要作用；(iii) 或 ETC 酶的表达和活性降低 。71 所有这些机制在一定程度上导致了神经系统疾病中观察到的 SRC 耗竭。
5.2.2 心血管疾病和 SRC
人类心脏每克组织消耗的能量比任何其他器官都要多，相当于每天产生 6 公斤 ATP，主要由线粒体产生。线粒体对心脏组织的依赖解释了为什么线粒体变异与严重心脏病有关。在肥大性心脏中，容量超负荷导致 ATP 消耗增加两倍，需要 SRC 进行补偿。当能量使用和能量产生不平衡时，就会发生心脏失代偿。
即使在没有主要临床症状的患者中，衰竭心脏的心脏线粒体也表现出超微结构异常，基质增加，嵴紊乱 81。在心力衰竭的临床前模型中，观察到 SRC 缺陷导致心脏肥大。82 生物能量衰竭的拟议机制包括 ETC 复合物受损、FAO 改变、氧化应激以及 TFAM 和 PGC-1α 依赖性线粒体生物合成缺陷 。71 有趣的是，所有这些影响 SRC 的改变都发生在心力衰竭发作之前，这表明需要保持高 SRC 水平作为治疗方法。
SRC 在基础生理条件下不是必需的，但在急性应激条件下变得必不可少，从而导致能量需求急剧增加 。需要更多 SRC 的细胞可以在需要时产生更多的 ATP，以更好地应对包括能量应激和氧化应激在内的应激条件。35 然后使用 SRC 来对抗压力的有害影响。因此，SRC 水平与成纤维细胞存活率增强呈正相关。81 SRC 被描述为一种神经元保护机制，可抵御兴奋性毒性。4、15 此外，通过复合物 II 增强 SRC 与抵抗缺氧诱导的心脏细胞死亡有关 。20 当储备被消耗并低于某个阈值时，细胞将无法再补偿压力的有害影响（见图 3 ）。在这种情况下，在病理条件下观察到的 SRC 水平急剧下降反映了线粒体无法应对超能量需求。这种情况通常与细胞功能障碍有关，最终导致细胞死亡。在这种情况下，细胞死亡主要是由“能量危机”引起的。在许多研究中，SRC 损失预示着细胞死亡或器官功能障碍的发生。如前所述，研究表明，各种病理情况都会降低 SRC 水平，导致心脏或神经细胞死亡。骨骼肌中也会出现因 SRC 耗竭而导致的细胞死亡。线粒体 DNA 突变小鼠是一种导致 SRC 衰竭的小鼠模型，由于细胞凋亡而导致大量骨骼肌损失 。83
图3 非转化细胞中 SRC 减少的后果示意图（详情见正文）
然而，根据细胞类型、细胞环境和损伤严重程度，线粒体 SRC 的耗竭并不总是导致细胞死亡。因此，暴露于氧化应激和 SRC 水平降低的内皮细胞会进入与内皮细胞功能受损相关的细胞衰老状态 。49
6 特殊情况：SRC的测定与癌细胞的相关性
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6.1 低 SRC 水平：大多数癌细胞类型的代谢特征？
除了瓦尔堡最初描述的典型糖酵解表型外， 84 癌细胞还可以利用其他碳源，如谷氨酰胺或脂肪酸，这些碳源在线粒体中被氧化，以产生能量和/或合成代谢。因此，现在已经确定癌症代谢比预期的更加异质，除了经典的糖酵解表型外，癌细胞还可以表现出线粒体氧化表型。此外，癌细胞可以从一种糖酵解表型转变为线粒体表型，以适应外部（环境条件的压力）或内部（基因表达的后果）信号。癌细胞的代谢灵活性似乎可以预测肿瘤的侵袭性。在许多癌症类型中，癌症进展、转移的发展和耐药性的获得都需要存在线粒体氧化表型 。85
无论代谢异质性如何，大多数癌细胞的特征是 SRC 水平低于正常细胞。因此，与骨细胞相比，成骨肉瘤细胞中的 SRC 显著降低 。86 SRC 在胶质母细胞瘤细胞中持续耗竭，而在非致瘤性正常细胞中则保持原样 。87 与外周单核细胞相比，急性髓系白血病细胞的 SRC 水平较低（最多可降低三倍），尽管线粒体质量增加。13 出现 IDH 突变的急性髓系白血病 (AML) 细胞对应于 SRC 水平甚至更低的细胞子集 。88 一个例外是慢性淋巴细胞白血病细胞，其 SRC 水平高于 B 细胞，这可能是由于线粒体含量增加 。89 然而，上述研究的一个缺点是 SRC 值是从通常在高葡萄糖培养基中体外培养的稳定癌细胞系中获得的，这种代谢条件可能不能充分代表体内情况。这些结果应在直接从患者体内分离的原代细胞中进行验证。低 SRC 水平主要是由于无法完全提高最大呼吸量，而不是基础呼吸量发生变化 。13 与非转化细胞相比，癌细胞表现出低 SRC 和最大呼吸量值的原因仍不清楚。这可能是由于过量糖酵解中间体积累对线粒体呼吸产生负面调节，这种现象称为克拉布特里效应 90 和/或癌症发展背后的分子和遗传机制（见下文）。
6.2 癌症中 SRC 水平的特殊调节
多项实验证据表明，低 SRC 水平与恶性转化密切相关。因此，线粒体代谢和 SRC 受致癌基因、肿瘤抑制因子和转录因子的调控，这些因子参与了致癌作用的多步骤进展。有趣的是，通过破坏肿瘤抑制因子 p53 并引入致癌突变体 KRAS 的永生化人类成纤维细胞 BJ 的转化程序伴随着 SRC 水平的降低。91 成纤维细胞的永生化也会导致 SRC 水平下降。91 与野生型 P53 同源物相比，具有 P53 突变的鳞状细胞癌细胞的 SRC 水平降低，并且主要依靠糖酵解来生存。92 在 Ras 突变的胶质母细胞瘤中，异常的 Ras 信号通过 PDH 磷酸酶下调降低 SRC 水平，从而减弱 PDH 活性。87 Ras/Erk 信号的激活也会通过 TRAP1 磷酸化诱导 SDHA 抑制，从而导致 SRC 抑制 。93
图4 控制 BRAF 突变黑色素瘤中低 SRC 水平的代谢回路示意图（详情见正文）
致癌基因对线粒体代谢和 SRC 影响的典型例子是突变激活的 BRAF（图 4 ）。BRAF 突变（例如 BRAFV600E 突变）存在于 50% 的黑色素瘤和几种实体瘤中。BRAFV600E 突变的存在导致 MEK/ERK 级联的组成性激活，从而刺激细胞生长和增殖。突变的 BRAF 还会重新编程黑色素瘤代谢，增加有氧糖酵解并抑制线粒体氧化（详见 94、95 ） 。致癌 BRAF 突变体通过几种不同的机制下调 SRC。首先，BRAF 突变体通过下调 MITF/PGC1α 通路负向调节线粒体的生物合成。其次，BRAF 突变的黑色素瘤细胞通过降低线粒体守门酶丙酮酸脱氢酶 (PDH) 的活性来减少葡萄糖衍生的丙酮酸进入 TCA 循环。事实上，BRAF 突变体的特点是 HIF-1α 及其下游靶标 PDK 的高表达，后者是 PDH 活性的关键抑制剂。最后，BRAF 突变癌症的低 SRC 水平也可能是由于线粒体动力学的破坏。因此，MAPK 通路的组成性激活会上调动力蛋白相关蛋白 1 (DRP-1) 的表达和活性，导致线粒体剧烈裂变，最终导致呼吸减弱 。96
总体而言，这些数据表明，潜在的遗传网络在很大程度上导致了癌细胞中 SRC 水平低。
6.3 SRC 在癌症中的意义
与正常细胞相比，低 SRC 水平可看作是癌细胞的代谢弱点，反映了线粒体代谢无法部分适应压力条件 。13 因此，癌细胞拥有代谢“衰竭”的线粒体，可以作为治疗靶点，也可能是癌细胞的潜在“致命弱点”。同样，据报道，不同癌细胞系中的 SRC 水平与对 ETC 靶向药物二甲双胍的敏感性呈负相关，这表明基于 SRC 的分层可以预测 ETC 靶向药物在癌症临床试验中的疗效 。91 与此一致，较低的 SRC 水平使急性髓细胞白血病对 ETC 抑制剂和氧化应激源更敏感 。13 然而，鉴于糖酵解在癌细胞代谢中的重要性，这种脆弱性只是相对的，因为癌细胞可以通过激活有氧糖酵解来补偿线粒体外的 ATP 产生。因此，较低的 SRC 水平并不总是足以构成代谢虚弱，只有在无法增加糖酵解的情况下才会出现代谢虚弱 。97
除此之外，在肿瘤进展过程中，癌细胞的 SRC 水平逐渐升高，这反映了可能需要更多的氧化代谢来应对不断增加的能量需求。由于丙酮酸代谢增强，肿瘤侵袭与卵巢癌中的 SRC 增加有关 。98 癌症中 SRC 的增加也可以看作是获得耐药性的一个机制步骤，通过向有效的线粒体代谢转变，使细胞存活成为可能 。99
癌细胞对抗癌药物的反应通常会导致 SRC 变化。许多化疗药物会对负责其抗癌活性的癌细胞施加压力。根据药物的类别，压力的性质各不相同，包括氧化压力和基因毒性压力。这两种压力都可能降低 SRC 水平，从而解释了为什么抗癌药物会降低敏感细胞中的 SRC 水平（见表 1 ）以及为什么这种降低与其抗癌作用相关。91 抗癌药物对 SRC 的影响主要是由其对最大呼吸速率的影响降低引起的（表 1 ）。
相反，化疗耐药性与 SRC 增加有关，而 SRC 偶尔可能与线粒体呼吸链表达的变化有关，主要是在细胞色素 c 氧化酶水平上。100 在这里，我们总结了有关癌症药物耐药性中 SRC 的数据（表 2 ）。SRC 增加与对 DNA 损伤剂（如六价铬 Cr(VI) 或顺铂） 的耐药性相关 。99 此外，高 SRC 水平通常是癌细胞对靶向药物产生耐药性的特征。与亲本细胞系相比，在对维奈克拉产生耐药性的 AML 细胞中观察到更高的 SRC 水平。101 对布鲁顿酪氨酸激酶抑制剂依鲁替尼产生耐药性的瓦尔登斯特伦巨球蛋白血症细胞的 SRC 水平也高于敏感细胞。102 同样，在几种对 BRAF/MEK 抑制剂产生耐药性的模型中，黑色素瘤细胞与高 SRC 相关，这一观察结果与其高氧化活性相符。103 有趣的是，在大多数研究中，基线呼吸与检测耐药性并不一致，而 SRC 和/或最大呼吸速率是与耐药性相关的最佳参数之一。
9. 结论
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总体而言，SRC 的生理作用是帮助未转化细胞适应生物能量需求的突然增加，从而促进短期应激生存。在这种情况下，SRC 可用作细胞应对急性细胞应激能力的预测标志。在此，研究强调了测量 SRC 对评估或预测细胞对应激的反应的相关性。有趣的是，应该注意的是，之前曾测量过肺动脉高压患者血小板上的 SRC 水平。在这些情况下，它被证明是一种与疾病进展和严重程度相关的有价值的预测标志 。23 尽管如此，SRC 值的解释应谨慎，因为其生理意义主要取决于细胞环境。事实证明，SRC 值因细胞类型而异，低 SRC 水平并不总是意味着线粒体功能障碍。看起来，SRC 水平高的线粒体是具有能量作用的线粒体，而 SRC 水平低的线粒体参与合成代谢功能，就像癌细胞的情况一样。
如果希望通过操纵 SRC 水平来达到治疗目的，那么了解负责 SRC 的分子回路就显得尤为重要。因此，加强 SRC 可能有助于避免心室肥大导致的心脏失代偿。相反，降低耐药癌细胞的 SRC 水平可能会使它们对线粒体靶向药物更加敏感。
最后，我们建议使用 SRC 作为关键参数（i）确定代谢生物能量特征；（ii）预测未转化细胞对压力的抵抗力；（iii）预测癌细胞的侵袭性，包括获得耐药性。
能量是一切生命活动的基石，这个基石如果在正常生命活动中存在缺陷，或为异常生命活动（比如肿瘤）作贡献，有机体必然要加速走向衰败和灭亡。
如果你对这个研究方向感兴趣，务必要看看这个储备呼吸能力的定义和实验检测方法，可仔细阅读我们此前的几篇关于细胞呼吸和Seahorse细胞代谢分析方面的推文以及此次推文的头条《线粒体储备呼吸能力与衰老之间有联系吗？》：
② 有氧糖酵解是个奇怪的现象——看看文献，跟DeepSeek聊聊
如需要用Seahorse细胞能量代谢分析仪检测细胞OCR、ECAR，可以与19901610324（WeChat同号）联系。
译自文献：