周曼麗 王健章,2 馮 宇 俞赟豐 劉皓辰 簡維雄,3

1.湖南中醫(yī)藥大學(xué)中醫(yī)學(xué)院，湖南長沙 410208；2.湖南中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院心血管內(nèi)科，湖南長沙 410007；3.湖南中醫(yī)藥大學(xué)國家重點學(xué)科中醫(yī)診斷學(xué) 湖南省重點實驗室，湖南長沙 410208

線粒體存在于大多數(shù)細(xì)胞類型中，是主要的產(chǎn)能結(jié)構(gòu)。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(lián)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(xiàn)與結(jié)構(gòu)的變化密不可分。線粒體融合與分裂是是實現(xiàn)功能的基礎(chǔ)。正常情況下，線粒體融合、分裂協(xié)同進行并保持動態(tài)平衡，以維持細(xì)胞內(nèi)線粒體的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定[1]。在細(xì)胞凋亡的過程中，融合分裂運動失衡，線粒體網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)被破壞，細(xì)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(guān)蛋白1（dynamin-related protein 1，Drp1）[3]。本文結(jié)合已經(jīng)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(xì)胞凋亡中的調(diào)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(jì)90 年代，線粒體首先在動物細(xì)胞中被發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時將其描述為生物芽體。隨后不久，生物學(xué)家Benda 將它正式命名為線粒體。隨著三維成像技術(shù)以及熒光標(biāo)記技術(shù)的發(fā)展[4]，線粒體的超微結(jié)構(gòu)逐步被大家熟知。線粒體形態(tài)和數(shù)量主要取決于融合和分裂活動的平衡。線粒體融合轉(zhuǎn)變增加使細(xì)胞能夠建立擴展的相互連接的線粒體網(wǎng)絡(luò)，而向分裂轉(zhuǎn)變增加則產(chǎn)生許多形態(tài)和功能上不同的小球形細(xì)胞器[5]。線粒體網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的形成是以膜結(jié)構(gòu)的融合為前提的。折疊成嵴結(jié)構(gòu)的內(nèi)膜的融合擴大了膜結(jié)構(gòu)的面積，有助于相鄰線粒體之間信息交流，實現(xiàn)線粒體氧化磷酸化功能的最大化，對細(xì)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(diào)節(jié)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(guān)鍵蛋白，兩者在結(jié)構(gòu)上具有高度的相似性。Mfn1 分子C 端的七肽重復(fù)序列（HR1、HR2）能夠與其自身或者與Mfn2 分子C 端類似的結(jié)構(gòu)域相互結(jié)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(fā)現(xiàn)，基因敲除Mfn1/2 后，線粒體內(nèi)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(fā)現(xiàn)，線粒體中的Mfn1 或Mfn2 雖缺乏，卻仍能發(fā)生融合以維持其網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，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(fā)現(xiàn)，抑制Mfn1 蛋白會產(chǎn)生短棒狀或圓盤狀線粒體，而抑制Mfn2 蛋白后，線粒體形態(tài)大小不一，各不相同[10]，碎片化程度更加嚴(yán)重。在小鼠模型中重新表達(dá)基因敲除后的Mfn1，片斷化的線粒體會恢復(fù)為長管狀，然而重新表達(dá)已經(jīng)敲除的Mfn2 基因，線粒體的形態(tài)雖會有一定程度的恢復(fù)，但不如重新表達(dá)的Mfn1 基因[11]?？烧J(rèn)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(xì)胞內(nèi)經(jīng)常發(fā)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(xù)融合分裂以及生物學(xué)效應(yīng)；而另外一部分膜電位低且OPAl 含量很低的線粒體通常認(rèn)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(xì)胞衰老[13-14]。在分裂障礙的細(xì)胞中，線粒體會聚集在一起，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)許多區(qū)域因線粒體分布不均而造成局部能量供應(yīng)缺失[15]。哺乳動物體內(nèi)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(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)域組成，分別為N 末端的GTPase 結(jié)構(gòu)域、C 末端的GTPase 效應(yīng)器結(jié)構(gòu)域、中央結(jié)構(gòu)域、可變結(jié)構(gòu)域及GED 結(jié)構(gòu)域[16]。其中GTPase 結(jié)構(gòu)域可以水解GTP 釋放能量,為Drp1 向外膜移動做準(zhǔn)備；中央結(jié)構(gòu)域?qū)τ贒rp1 組裝成高度有序的結(jié)構(gòu)非常重要；可變結(jié)構(gòu)域是Drp1 最活躍的區(qū)域，此結(jié)構(gòu)域可以通過磷酸化、泛素化等來調(diào)節(jié)線粒體的分裂過程；GED 結(jié)構(gòu)域?qū)τ诮閷?dǎo)分子間相互作用非常重要，是GTPase 的活性調(diào)節(jié)以及Drp1 的線粒體錨定所必需的結(jié)構(gòu)域[17-18]。Drp1 缺少Dynamin 家族具有膜定位功能的結(jié)構(gòu)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(jié)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(huán)狀多聚物，在GTP 水解作用下，Drp1 環(huán)狀多聚物逐漸收縮[20]，直至線粒體斷裂，產(chǎn)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(fā)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(fā)生去磷酸化，Drp1 在線粒體外膜聚集增加，線粒體發(fā)生片段化，引起胞內(nèi)Ca2+超載及ROS 的大量產(chǎn)生，最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[16]。

3 線粒體融合、分裂運動與細(xì)胞凋亡

線粒體是哺乳動物細(xì)胞凋亡的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子[5]，通過釋放細(xì)胞色素C 等促凋亡因子，其在細(xì)胞凋亡進程中發(fā)揮重要作用[23]。線粒體分裂增加會導(dǎo)致線粒體碎片化程度加重。在細(xì)胞凋亡的早期階段，分裂復(fù)合物向線粒體的募集增多，這對執(zhí)行細(xì)胞凋亡程序很重要。粒體分裂參與外膜通透性（MOMP）調(diào)控。MOMP被認(rèn)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(xì)胞色素C 釋放，細(xì)胞凋亡下游通路被激活，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡[24]。在細(xì)胞凋亡的過程中，Drp1 的募集增強。Bcl-2 家族成員bax 與Drp1 在負(fù)責(zé)細(xì)胞色素C 釋放的分裂位點共表達(dá)[25]，這是Caspase-3 激活的一個重要早期事件，最終誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。通過RNAi 下調(diào)Drp1，不僅能夠延遲線粒體分裂，還能抑制細(xì)胞色素C 釋放和細(xì)胞死亡[26]。已有研究人員通過在體外使用Drp1 的一個顯性負(fù)點突變株進一步證實了這一結(jié)果，發(fā)現(xiàn)它成功地減弱了線粒體碎片，并抑制了細(xì)胞色素C 的釋放[27]，最終阻斷了細(xì)胞凋亡下游通路的激活。

抑制線粒體融合能夠促使細(xì)胞凋亡的發(fā)生。Bcl-2家族成員是一組在細(xì)胞凋亡調(diào)控中起重要作用的蛋白質(zhì)，這些蛋白分為兩個亞家族，在細(xì)胞凋亡調(diào)節(jié)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(lián)系樞紐之一[28]。Karbowski 等[29-30]研究發(fā)現(xiàn)，在細(xì)胞凋亡過程中，Bax 轉(zhuǎn)移的過程與線粒體片段化同步進行，Bax 和Bak 轉(zhuǎn)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(gòu)象可能會抑制mfn2 活性，導(dǎo)致線粒體形態(tài)碎片化和細(xì)胞凋亡的發(fā)生[30]。在支偉偉等[31]的研究中，體外培養(yǎng)H9C2 心肌細(xì)胞，通過沉默RNA 方式降低Mfn1 的表達(dá)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)降低Mfn1 表達(dá)后可顯著增加H9C2 心肌細(xì)胞內(nèi)活性氧的產(chǎn)生，促進細(xì)胞色素C 釋放，激活Caspase 通路，從而引發(fā)細(xì)胞凋亡。

4 總結(jié)與展望

線粒體是真核細(xì)胞中一種高度動態(tài)變化的細(xì)胞器，在細(xì)胞能量代謝中處于核心地位[32]。線粒體融合、分裂運動協(xié)同進行并保持動態(tài)平衡，以維持細(xì)胞內(nèi)線粒體的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)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(guān)鍵蛋白。基因敲除Mfn1/Mfn2 會導(dǎo)致線粒體外膜融合障礙，但也有實驗結(jié)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(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)仍存在。線粒體的分裂在真核細(xì)胞內(nèi)經(jīng)常發(fā)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(diào)節(jié)線粒體的分裂過程。線粒體融合、分裂蛋白功能失調(diào)，線粒體發(fā)生片段化,網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞，最終導(dǎo)致細(xì)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(tài)結(jié)構(gòu)以及功能的實現(xiàn)中的作用已經(jīng)取得了顯著的成就，但是如何以線粒體動力學(xué)為突破口，將現(xiàn)有的研究成果更好地用于細(xì)胞生長、衰老和凋亡等生理、病理過程的干預(yù)還需要更加深入的研究。