促線粒體融合分裂蛋白在線粒體融合、分裂和細胞凋亡中的調控機制研究進展

周曼麗 王健章,2 馮 宇 俞赟豐 劉皓辰 簡維雄,3

1.湖南中醫藥大學中醫學院，湖南長沙 410208；2.湖南中醫藥大學第一附屬醫院心血管內科，湖南長沙 410007；3.湖南中醫藥大學國家重點學科中醫診斷學 湖南省重點實驗室，湖南長沙 410208

線粒體存在于大多數細胞類型中，是主要的產能結構。線粒體中含有眾多酶系，能通過電子傳遞鏈與氧化磷酸化偶聯生成三磷酸腺苷，為生命活動提供巨大的能量。線粒體功能的實現與結構的變化密不可分。線粒體融合與分裂是是實現功能的基礎。正常情況下，線粒體融合、分裂協同進行并保持動態平衡，以維持細胞內線粒體的形態、結構和功能穩定[1]。在細胞凋亡的過程中，融合分裂運動失衡，線粒體網絡狀結構被破壞，細胞色素C 等促凋亡因子被釋放。截至目前，在哺乳動物中研究較多的線粒體融合蛋白包括線粒體融合蛋白1（mitofusin 1，Mfn1）和線粒體融合蛋白2（mitofusin 2，Mfn2）[2]；線粒體分裂蛋白包括動力相關蛋白1（dynamin-related protein 1，Drp1）[3]。本文結合已經取得的研究成果，就促線粒體融合分裂蛋白在線粒體融合、分裂和細胞凋亡中的調控機制作簡要綜述。

1 Mfns 與線粒體融合

1.1 線粒體融合

19 世紀90 年代，線粒體首先在動物細胞中被發現，當時將其描述為生物芽體。隨后不久，生物學家Benda 將它正式命名為線粒體。隨著三維成像技術以及熒光標記技術的發展[4]，線粒體的超微結構逐步被大家熟知。線粒體形態和數量主要取決于融合和分裂活動的平衡。線粒體融合轉變增加使細胞能夠建立擴展的相互連接的線粒體網絡，而向分裂轉變增加則產生許多形態和功能上不同的小球形細胞器[5]。線粒體網絡狀結構的形成是以膜結構的融合為前提的。折疊成嵴結構的內膜的融合擴大了膜結構的面積，有助于相鄰線粒體之間信息交流，實現線粒體氧化磷酸化功能的最大化，對細胞生命活動具有重要的意義。到目前為止，在哺乳動物中研究較多的線粒體融合蛋白包括Mfn1、Mfn2[6]。

1.2 Mfn1 和Mfn2 對線粒體融合的調節作用

線粒體融合蛋白1/2（mitofusion1/2，Mfn1/2）是線粒體外膜融合的關鍵蛋白，兩者在結構上具有高度的相似性。Mfn1 分子C 端的七肽重復序列（HR1、HR2）能夠與其自身或者與Mfn2 分子C 端類似的結構域相互結合，形成同型或異型二聚體,有利于線粒體外膜的融合[7]。研究發現，基因敲除Mfn1/2 后，線粒體內外膜融合均受到顯著抑制。然而Yue 等[7]利用小分子抑制劑使Mfns 去泛素化后發現，線粒體中的Mfn1 或Mfn2 雖缺乏，卻仍能發生融合以維持其網絡狀結構，這說明Mfn1 與Mfn2 并不是影響線粒體外膜融合的絕對因素。Mfn1/2 在功能上存在一定的差異性。Mfn1的GTPase 的活性比Mfn2 高，水解GTP 較快，促進線粒體融合的效率比Mfn2 強[8]。Patrushev 等[9]研 究 發現，抑制Mfn1 蛋白會產生短棒狀或圓盤狀線粒體，而抑制Mfn2 蛋白后，線粒體形態大小不一，各不相同[10]，碎片化程度更加嚴重。在小鼠模型中重新表達基因敲除后的Mfn1，片斷化的線粒體會恢復為長管狀，然而重新表達已經敲除的Mfn2 基因，線粒體的形態雖會有一定程度的恢復，但不如重新表達的Mfn1 基因[11]。可認為Mfn1 在線粒體融合中扮演著比Mfn2 更為重要的角色。

2 Drp1 與線粒體分裂

2.1 線粒體分裂

線粒體的分裂在真核細胞內經常發生。線粒體的分裂是不均勻的，通常會分裂出膜電位正常且遺傳信息正常的線粒體，用于后續融合分裂以及生物學效應；而另外一部分膜電位低且OPAl 含量很低的線粒體通常認為是功能受損的線粒體，將會通過線粒體自噬途徑被降解[12-13]，從而保證線粒體基因組的完整性，抵制細胞衰老[13-14]。在分裂障礙的細胞中，線粒體會聚集在一起，導致細胞內許多區域因線粒體分布不均而造成局部能量供應缺失[15]。哺乳動物體內參與線粒體分裂的蛋白主要是Drp1[16]。

2.2 Drp1 對線粒體分裂的調節作用

Drp1 屬于動力蛋白超家族成員之一，是線粒體分裂的必需蛋白。Drp1 蛋白由4 個結構域組成，分別為N 末端的GTPase 結構域、C 末端的GTPase 效應器結構域、中央結構域、可變結構域及GED 結構域[16]。其中GTPase 結構域可以水解GTP 釋放能量,為Drp1 向外膜移動做準備；中央結構域對于Drp1 組裝成高度有序的結構非常重要；可變結構域是Drp1 最活躍的區域，此結構域可以通過磷酸化、泛素化等來調節線粒體的分裂過程；GED 結構域對于介導分子間相互作用非常重要，是GTPase 的活性調節以及Drp1 的線粒體錨定所必需的結構域[17-18]。Drp1 缺少Dynamin 家族具有膜定位功能的結構域（pleckstrin homology，PH）[19]，因此位于胞漿的Drp1 募集至線粒體外膜，需與Fis1（外膜蛋白）等結合才能完成線粒體的分裂。在分裂過程中，多個Drp1 分子募集至線粒體外膜潛在分裂位點，圍繞線粒體形成環狀多聚物，在GTP 水解作用下，Drp1 環狀多聚物逐漸收縮[20]，直至線粒體斷裂，產生兩個獨立的線粒體。Drp1 還可以通過磷酸化、泛素化等來影響線粒體的分裂過程。如Drp1 第616 絲氨酸磷酸化后，線粒體發生分裂，而Drp1 第637 位或656 位絲氨酸磷酸化則使Drp1 失活，抑制線粒體分裂，促進線粒體融合[21-22]。若Drp1 第637 位絲氨酸發生去磷酸化，Drp1 在線粒體外膜聚集增加，線粒體發生片段化，引起胞內Ca2+超載及ROS 的大量產生，最終導致細胞凋亡[16]。

3 線粒體融合、分裂運動與細胞凋亡

線粒體是哺乳動物細胞凋亡的關鍵調節因子[5]，通過釋放細胞色素C 等促凋亡因子，其在細胞凋亡進程中發揮重要作用[23]。線粒體分裂增加會導致線粒體碎片化程度加重。在細胞凋亡的早期階段，分裂復合物向線粒體的募集增多，這對執行細胞凋亡程序很重要。粒體分裂參與外膜通透性（MOMP）調控。MOMP被認為是一個不能返回的點，它允許凋亡因子從膜間間隙漏出，最顯著的是細胞色素C 釋放，細胞凋亡下游通路被激活，最終導致細胞死亡[24]。在細胞凋亡的過程中，Drp1 的募集增強。Bcl-2 家族成員bax 與Drp1 在負責細胞色素C 釋放的分裂位點共表達[25]，這是Caspase-3 激活的一個重要早期事件，最終誘導細胞凋亡。通過RNAi 下調Drp1，不僅能夠延遲線粒體分裂，還能抑制細胞色素C 釋放和細胞死亡[26]。已有研究人員通過在體外使用Drp1 的一個顯性負點突變株進一步證實了這一結果，發現它成功地減弱了線粒體碎片，并抑制了細胞色素C 的釋放[27]，最終阻斷了細胞凋亡下游通路的激活。

抑制線粒體融合能夠促使細胞凋亡的發生。Bcl-2家族成員是一組在細胞凋亡調控中起重要作用的蛋白質，這些蛋白分為兩個亞家族，在細胞凋亡調節中起著相反的作用。Bax/Bak 是線粒體融合蛋白Mfn1/2在線粒體凋亡通路中聯系樞紐之一[28]。Karbowski 等[29-30]研究發現，在細胞凋亡過程中，Bax 轉移的過程與線粒體片段化同步進行，Bax 和Bak 轉移至線粒體外膜Mfn2 所在的潛在分裂位點，在分裂過程中與mfn2 共存，同時Bax/Bak 可以在線粒體外膜上形成孔道，允許多種線粒體蛋白進入胞漿，其凋亡構象可能會抑制mfn2 活性，導致線粒體形態碎片化和細胞凋亡的發生[30]。在支偉偉等[31]的研究中，體外培養H9C2 心肌細胞，通過沉默RNA 方式降低Mfn1 的表達，結果發現降低Mfn1 表達后可顯著增加H9C2 心肌細胞內活性氧的產生，促進細胞色素C 釋放，激活Caspase 通路，從而引發細胞凋亡。

4 總結與展望

線粒體是真核細胞中一種高度動態變化的細胞器，在細胞能量代謝中處于核心地位[32]。線粒體融合、分裂運動協同進行并保持動態平衡，以維持細胞內線粒體的形態、結構和功能的穩定[33]。Mfn1/2 通過形成同型或異型二聚體使相鄰的線粒體完成融合[7]，是線粒體融合的關鍵蛋白。基因敲除Mfn1/Mfn2 會導致線粒體外膜融合障礙，但也有實驗結果表明Mfn1 與Mfn2 并不是影響線粒體融合的絕對因素，缺乏Mfn1或Mfn2 的線粒體，網絡狀結構仍存在。線粒體的分裂在真核細胞內經常發生。Drp1 是線粒體分裂的必需蛋白，在受體蛋白的募集作用下定位于線粒體外膜，通過磷酸化、泛素化等來調節線粒體的分裂過程。線粒體融合、分裂蛋白功能失調，線粒體發生片段化,網狀結構被破壞，最終導致細胞凋亡[33]。

綜上，對于線粒體融合蛋白與分裂蛋白在線粒體形態結構以及功能的實現中的作用已經取得了顯著的成就，但是如何以線粒體動力學為突破口，將現有的研究成果更好地用于細胞生長、衰老和凋亡等生理、病理過程的干預還需要更加深入的研究。