線粒體過度裂分與心臟疾病的研究進展

（中國藥科大學 江蘇 南京 211198）

魯一桐 齊煉文（通訊作者）

線粒體是一種復雜的雙層膜細胞器，由線粒體外膜、線粒體內膜、膜間質、基質組成。線粒體基質中含有代謝酶、線粒體DNA和RNA。線粒體外膜隔絕膜間隙與胞質，使胞質中分子量大于1500Da的分子不可透過。線粒體膜間隙含有不同種蛋白，如細胞色素C。心肌細胞的線粒體體積大概占整個細胞體積的三分之一，并且決定著細胞的存活和死亡，心臟每天產生30千克三磷酸腺苷，來維持正常收縮功能。[1]

線粒體是處于高度運動的細胞器，能通過不斷地融合和裂分呈現不同的形狀。線粒體形狀改變及移動的動態過程稱為線粒體動力學。線粒體的形態通常呈長條形網狀結構，也可以分裂成離散的短管狀，通過線粒體裂分蛋白和融合蛋白的共同作用實現，對保持線粒體正常網狀結構至關重要。現階段研究認為：哺乳動物的線粒體融合過程主要是由融合蛋白1（mitofusin1,Mfn1），融合蛋白2（mitofusin2,Mfn2），視神經萎縮癥蛋白1（opticatrophy1,OPA1）介導的，線粒體融合功能缺失會對細胞關鍵功能造成巨大損傷，出現生長緩慢、呼吸功能受損、膜電位喪失等現象。[2]線粒體裂分能確保細胞分裂過程中線粒體數量平均分配，并通過自噬選擇性地清除受損的線粒體。[1]動力相關蛋白（dynamin-related protein 1,Drp1）是線粒體裂分中的關鍵蛋白，很多研究表明線粒體裂分是一個多步驟的裝配過程，早期關鍵步驟是Drp1招募至線粒體外膜，與錨定在線粒體外膜的Drp1受體蛋白裂變蛋白1（fission protein-1,Fis1），線粒體分裂因子（mitochondrial fission factor,MFF），線粒體動力學蛋白（mitochondrial dynamics proteins of 49 and 51 kDa,MiD49/51）結合。其中MFF被認為是線粒體上最主要的Drp1受體，能促進Drp1的裝配，其過表達誘導Drp1招募和線粒體裂分，而其敲減使得線粒體形態延長。[3,4]

Drp1從胞質招募到線粒體的過程由Drp1翻譯后修飾調控，最常見的是磷酸化修飾。有文獻報道：Rho關聯含卷曲螺旋蛋白激酶（Rho associated coiled-coil containing protein kinase 1,ROCK1）使Drp1絲氨酸600位點（小鼠Drp1異構體b）磷酸化，使其招募至線粒體；[5]蛋白激酶A（protein kinase A,PKA）使Drp1絲氨酸637位點磷酸化，抑制其GTP酶活性，顯著抑制線粒體裂分；[6]電壓依賴的Ca2+通道相關的Ca2+信號激活Ca2+/CaM依賴性蛋白激酶（Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase,CaMKI），使Drp1絲氨酸600位點發生磷酸化，增加Drp1的線粒體轉位。[7]與之相反，一種關鍵的有絲分裂激酶Cdk1/cyclin B使Drp1絲氨酸616位點磷酸化，促進細胞分裂期的線粒體裂分。[8]胞質中鈣離子濃度高時，線粒體去極化，激活胞質中的磷酸酶鈣調磷酸酶，使Drp1絲氨酸637位點去磷酸化，誘導去極化的線粒體發生裂分。[9]腎小管細胞的ATP耗竭時，鈣調磷酸酶介導的Drp1絲氨酸637位點去磷酸化使Drp1激活。[10]

線粒體不僅是重要的能量中心，并且廣泛參與到心血管疾病病理進程中。心力衰竭發生時，可觀察到線粒體結構功能的擾亂，出現過多的小碎片狀的線粒體，被認為是Drp1的功能亢進而Mfn2功能減弱。提示研究者們可利用藥理活性制劑通過調控病理狀態下線粒體融合與分裂的平衡來恢復正常的線粒體結構和功能。[11]缺血性心臟病是最常見的心臟病類型，表現為供血的冠狀動脈由于斑塊形成而狹窄，從而減少了心臟的血流和供氧，可導致急性或慢性心衰。2012年數據顯示：缺血性心臟病致死率位居全球第一。缺血后的組織在恢復血流供應時會出現缺血再灌注損傷缺，主要是由于鈣超載，活性氧爆發等因素造成，會導致心肌梗死面積增加、收縮功能障礙加重、心律失常等，造成心肌細胞不可逆損傷甚至死亡。線粒體裂分能確保細胞分裂過程中線粒體數量平均分配，并通過自噬選擇性地清除受損及老化的線粒體，[1]然而過度的線粒體裂分卻會導致缺血再灌注損傷和心衰。在許多心肌疾病發生時，線粒體都會表現出過度裂分。線粒體過度分裂抑制細胞呼吸鏈，使氧自由基生成增多、ATP合成減少，導致細胞功能障礙。[12]有學者發現：缺血再灌注大鼠心臟再灌注階段出現的線粒體過度裂分會導致長期的心肌功能紊亂，而在再灌注階段抑制線粒體過度裂分則能恢復心肌組織完整性和正常功能，進而保護心臟。[13]Drp1藥理活性抑制劑通過恢復線粒體正常形態來減輕再灌注損傷，抑制線粒體膜孔道開放，減少心肌細胞梗死面積。表明調節線粒體形態可能是心臟保護的新靶點。[14]利用腺病毒使Drp1功能喪失，可顯著減少缺血再灌注造成的心肌梗死面積和細胞死亡，恢復心肌功能。Drp1被強烈抑制后，線粒體耗氧量明顯減少，細胞內ATP水平幾乎不減少，證明可通過減少線粒體代謝發揮心肌保護作用。[11]諸多研究表明，調控線粒體正常形態可能是保護缺血再灌注心臟的潛在靶點。

[1] Sang-Bing Ong,Siavash Beikoghli Kalkhoran,Hector A.Cabrera-Fuentes,et al.Mitochondrial fusion and fission proteins as novel therapeutic targets for treating cardiovascular disease[J].Eur J Pharmacol,2015,763:104-114.

[2] Hsiuchen Chen,Anne Chomyn,David C.Chan.Disruption of Fusion Results in Mitochondrial Heterogeneity and Dysfunction[J].J Biol Chem. 2005,28:26185-26192.

[3] Otera H,Wang C,Cleland MM,et al.Mff is an essential factor for mitochondrial recruitment of Drp1 during mitochondrial fission in mammalian cells[J].J Cell Biol,2010, 191:1141-1158.

[4] Gandre-Babbe S,van der Bliek AM.The novel tailanchored membrane protein Mff controls mitochondrial and peroxisomal fission in mammalian cells[J].Mol Biol Cell,2008,19:2402-2412.

[5] Wenjian Wang,Yin Wang,Jianyin Long,et al.Mitochondrial Fission Triggered by Hyperglycemia Is Mediated by ROCK1 Activation in Podocytes and Endothelial Cells[J].Cell Metab,2012,15:186-200.

[6] Chuang-Rung Chang,Craig Blackstone. Cyclic AMP-dependent Protein Kinase Phosphorylation of Drp1 Regulates Its GTPaseActivity and Mitochondrial Morphology[J].J Biol Chem., 2007,30:21583-21587.

[7] CaM kinase Iα–induced phosphorylation of Drp1 regulates mitochondrial morphology[J].J.Cell Biol.2008,3:573-585.

[8] Alessandro Pagliuso,Pascale Cossar,Fabrizia Stavru.The ever-growing complexity of the mitochondrial fission machinery[J].Cell. Mol. Life Sci. 2018, 75:355-374.

[9] G. M.Cereghetti,A.Stangherlin,O.Martins de Brito,et al.Dephosphorylation by calcineurin regulates translocation of Drp1 to mitochondria[J].PNAS,2008, 41:15803-15808.

[10] Sung-Gyu Cho, Quansheng Du,Shuang Huang,et al.Drp1 dephosphorylation in ATP depletion-induced mitochondrial injury and tubular cell apoptosis[J].Am J Physiol Renal Physiol,2010,299:F199-F206.

[11] Srikanth Givvimani, Sathnur Pushpakumar,Sudhakar Veeranki,et al.Dysregulation of Mfn2 and Drp-1 proteins in heart failure[J].Can J Physiol Pharmacol.2014,92:583-591.

[12] 阿力木江·買買提江，施海明.線粒體動力學與心肌細胞能量代謝的研究進展[J].復旦學報（醫學版），2013，40（5）：625-628.

[13] Marie-Helene Disatnik,Julio C.B.Ferreira,Juliane Cruz Campos,et al.Acute Inhibition of Excessive Mitochondrial Fission After Myocardial Infarction Prevents Long-term Cardiac Dysfunction[J].J Am Heart Assoc.2013,2:e000461.

[14] Sang-Bing Ong,Sapna Subrayan,Shiang Y.Lim, et al.Inhibiting Mitochondrial Fission Protects the Heart Against Ischemia/Reperfusion Injury[J].Circulation.2010,121:2012-2022.