線粒體相關內質網膜的鈣信號

摘要：Ca2+穩態是細胞代謝、增殖、分化和凋亡的基礎。細胞內Ca2+濃度的提高依賴于Ca2+由細胞外流入或者從內質網流出。內質網和線粒體之間的物理聯接即MAM，是內質網和線粒體功能的關鍵，使Ca2+高效的從內質網轉移至線粒體。研究內質網與線粒體的Ca2+信號對維持細胞代謝及功能至關重要。

關鍵詞：Ca2+ ；內質網；線粒體；MAM

1 內質網、線粒體及相互間的物理聯接作用

內質網是真核細胞內的膜性細胞器。包括粗面內質網、滑面內質網及核膜。內質網的可塑性是內質網一個非常重要的形態學特征，與功能的多樣性密切相關。內質網是蛋白合成和分泌的主要場所，同時也是是一個動態的Ca2+儲蓄池，可以被電和化學的刺激來激活。和內質網一樣，線粒體是細胞的\"生化工廠\"，是具有動態可塑性的細胞器，在細胞的新陳代謝中發揮重要作用，由內外兩層膜組成，是重要的Ca2+緩沖器。近年來，內質網與線粒體之間的相互作用引起了極大的關注，它們之間相互作用的物理連接被稱為線粒體相關內質網膜，即MAM[1]。MAM在調節細胞功能上發揮重要的作用，包括Ca2+的信號、脂質代謝、能量代謝及細胞存活。本文重點介紹MAM上的Ca2+信號。

2 線粒體相關內質網膜Ca2+信號

1969年John Ruby和它的同事首先提出線粒體相關內質網膜的概念[2]，直到1990年Jean Vance通過分離技術將其從大鼠肝臟上分離出來，在形態學上表明了它是內質網和線粒體之間存在物理聯接，而且兩者之間相互作用[1]。起初認為，內質網膜和線粒體外膜之間的距離約為100nm，而近來用電子斷層掃描發現，內質網膜和線粒體外膜之間的最小距離甚至更短，約為10～25nm，并且這段小的距離對應激反應非常重要，對Ca2+亦非常敏感。在活細胞，內質網膜通常隨著線粒體膜的移動而遷移[3]。

線粒體和內質網是鈣離子保持穩態的基礎。MAM在細胞內鈣信號中起至關重要的作用。Ca2+穩態是調控細胞內多種細胞反應的基礎。包括細胞代謝、增殖、分化和細胞凋亡。在靜息狀態下，細胞質中的Ca2+會維持在一個較低的濃度水平。靜息狀態下，細胞內的Ca2+在胞質中會維持一個較低的濃度水平，大約為100nm。當細胞外濃度達到1～2mM時， Ca2+由細胞外流入；當濃度達到250～600uM時，Ca2+從細胞內的儲存器如內質網類的流出，由此產生細胞內Ca2+信號。內質網和線粒體上存在的主要的Ca2+的轉運體及通道[4]。IP3R或RYR受體是鈣離子從內質網釋放進入線粒體的最重要的受體， 其中IP3R包括4個亞基和大約310KD的相似的結構骨架。IP3R可被IP3和Ca2+自身調控，也可以通過鈣調蛋白間接調控。RYR受體的功能與IP3受體相似，但傳遞Ca2+的機制不同。19世紀60年代，最早發現線粒體可以從懸浮介質中積累一些離子，當時發現分離出來鼠的肝臟、腎臟、腦和心臟能夠從電子傳遞過程中的懸浮介質中積累大量凈含量的鈣離子，達到初始鈣離子含量的幾百倍，同時線粒體可以調節鈣離子的含量和空間排布。從細胞產生到細胞凋亡過程，線粒體鈣離子的攝取都起著非常重要的作用。線粒體攝取Ca2+主要通過VDAC和Ca2+單向轉運體（MCU），前者位于線粒體外膜（OMM），從MAM將Ca2+轉運送到線粒體；后者位于線粒體內膜（IMM），與鈣離子的親和力低，將Ca2+由OMM轉運到IMM[5]。Ca2+從線粒體排出主要通過Na+/Ca2+交換或Na+/H+交換來完成。NCX （Na2+/Ca2+交換體）是一種質膜酶，主要存在于可興奮組織，可以將一個Ca2+移出的同時移入3個Na+。如果Na+濃度降低或者膜電位增大，NCX可反轉方向，將Ca2+移入細胞。目前已知三個顯性基因可以編碼異構體，即NCX1，NCX2，NCX3。NCX1隨機表達，NCX2主要在大腦中表達，NCX3主要在骨骼肌中表達。NCX1蛋白包括11個跨膜區域，被細胞內Na+和Ca2+跨膜轉運的大環路分為2個跨膜區域。病理狀態下，鈣離子濃度升高會導致線粒體滲透性轉換孔（PTP）激活而開放，增加IMM對小分子物質的滲透性，導致線粒體膜電位下降，線粒體崩解，通過促發凋亡信號導致細胞的死亡。

研究表明，Sigma-1 受體（Sig-1R）選擇性駐留在MAM上，Sig-1R在神經保護，參與腫瘤的發生及神經可塑性方面發揮重要作用。正常情況下，Sig-1R與分子伴侶BiP/GRP78形成Ca2+敏感的伴侶復合物，與IP3R3相關。一旦IP3R受體激活，就會降低Ca2+在MAM的濃度，使Sig-1Rs重新分配，從MAM轉移到內質網的邊緣：使Sig-1Rs從BiP/GRP78分離下來，游離的Sig-1R與 IP3R3的聚合會降低，Ca2+進入到線粒體。其它的調控Ca2+的蛋白在細胞受到刺激后直接轉移到MAM。例如一個應答促細胞生存信號的抗凋亡蛋白AKT/PKB為了使IP3R3失活被招募到MAM上，顯著降低了內質網鈣離子釋放的活性，從而降低了細胞對促凋亡刺激的敏感性。反之，一旦促凋亡途徑被激活，細胞色素C會從線粒體釋放與MAMs上的IP3R受體相結合，進一步使Ca2+進入到線粒體，增強促凋亡信號。

3 結論

本文簡述了內質網與線粒體之間的物理聯接即MAM，是兩個細胞器之間功能的關鍵，可使Ca2+高效地從內質網轉移到線粒體，是細胞代謝或細胞死亡等不同功能的結構基礎。因此，研究MAM的Ca2+信號對維持細胞代謝或死亡等功能至關重要。但到目前為止，已鑒別出的在MAM上的分子僅有少數，鑒別其它更多的MAM上的分子更有助于我們理解內質網和線粒體之間的物質轉運及信息傳遞。同時，盡管為了應答各種細胞刺激，MAM參與調控很多生物學途徑，然而這些生物學途徑匯集到MAM上的先決條件有哪些，它們以這樣一種方式匯集到哪兒可以被動態第二信使Ca2+的調控都是我們要解決的問題。

參考文獻：

[1]J.E. Vance. Phospholipid synthesis in a membrane fraction associated with mitochondria[J].Biol Chem， 1990， 265 ： 7248-7256.

[2]J.R. Ruby.Continuities between mitochondria and endoplasmic reticulum in the mammalian ovary[J]. Z Zellforsch Mikrosk Anat，1969，97 （1） ：30-37.

[3]Csordas， G.Structural and functional features and significance of the physical linkage between ER and mitochondria[J].Cell Biol，2006 ，174：915-921.

[4]Teruo Hayashi.MAM： more than just a housekeeper[J]. Cell，2009，19：81-88.

[5]Szabadkai G.Mitochondria： the hub of cellular Ca2+ signaling[J].Physiology，2008，23：84-94.

編輯/哈濤