Drp1的功能调节及其与阿尔茨海默病的关系

胡扬扬 韩小建 蒋丽萍

(南昌大学医学院，江西 南昌 330006)

·综 述·

Drp1的功能调节及其与阿尔茨海默病的关系

胡扬扬 韩小建1蒋丽萍2

(南昌大学医学院，江西 南昌 330006)

动力相关蛋白1；线粒体动力学；阿尔茨海默病

阿尔茨海默病(AD) 是临床上最常见的慢性进行性神经退行性疾病之一，其主要临床特征包括进行性的认知障碍和记忆丧失。AD多发病于 50 岁以后，且其发病率随年龄而显著增高，因此年龄是老年痴呆症最常见的病因之一。证据显示，在AD的神经细胞中存在线粒体动力学异常的现象，表明线粒体对神经细胞的生存起着至关重要的作用。首先，线粒体不仅是产生ATP的重要细胞器，同时也参与了其他多种细胞活动，如细胞内的钙缓冲、自由基清除和细胞增殖等。其次，线粒体还是高度动态变化的细胞器，能在细胞中不停地发生移位，其形态也通过不断的融合和分裂活动发生改变〔1〕。目前已经发现其分裂和融合活动受一些大GTP酶蛋白的调节。在哺乳动物细胞中，线粒体分裂主要受线粒体分裂蛋白(Drp)1来调控。最近有研究表明，在大多的病理条件下，比如癌症、肥胖症、糖尿病、心血管疾病和神经退行性疾病包括AD都与线粒体动态平衡有着密切的关系〔2～4〕。线粒体的分裂对调控细胞的生存和死亡起着重要的作用。Drp1的GTP酶活性是线粒体分裂所必需的〔2〕，并且增加Drp1的GTP酶活性会导致线粒体的过度分裂。调控线粒体融合的蛋白主要有视神经萎缩蛋白1(Opa1)、线粒体融合蛋白(Mfn)1和Mfn2〔2，5〕。线粒体融合对保持线粒体的完整性，维持线粒体ATP供应和正常的神经功能起着重要的作用。已经证实了，神经元的线粒体半衰期只有2～3 w，并且损伤的线粒体会通过线粒体自噬来清除〔6〕。

1 Drp1的结构

Drp1(又称DVLP、DLP1以及Dymple)，日本筑波大学Shin等〔7〕在1997年首次发现该蛋白。近年来的研究表明Drp1是调控线粒体分裂的关键性蛋白。并且自从1997年发现Drp1蛋白以后，对它的结构以及功能都有了很充分的研究。Drp1对线粒体分裂以及维持线粒体在轴突、树突和突触的分布都是必不可少的。Drp1已经被发现存在于人的大脑、肺、心脏、肾、脾、肝、肝细胞、睾丸和纤维母细胞中，并且也在植物中、酵母、蠕虫和啮齿动物和其他哺乳动物中也发现了Drp1或其同源体的存在。Drp1是一个大GTP酶分子，其N端具有GTP酶结构域，C端为GTP酶效应结构域(GED)，中间是Dynamin同源结构域(又称中间区)和Insert B区。Drp1主要分布在细胞浆，并以多聚体的形式存在。Drp1蛋白属于动力蛋白超家族的成员，这种家族蛋白的N端含有进化上保守的GTP酶区，同时C端还含有血小板-白细胞激酶底物和富含脯氨酸区，但是Drp1却不包含血小板-白细胞激酶底物和脯氨酸区。

2 Drp1的功能

Drp1是一种多功能蛋白。研究表明Drp1参与了线粒体分裂、分布以及过氧化物酶体片段化的过程，并且Drp1的活性和功能也受磷酸化、类泛酸蛋白化(SUMO化)和泛素化的调控。

2.1 Drp1和线粒体分裂 证据显示，Drp1及其同源体在酵母、线虫和哺乳动物中参与了线粒体分裂的过程〔8，9〕。而其他线粒体分裂蛋白包括线粒体分裂蛋白(Fis)1、线粒体分裂因子(Mff)以及线粒体动态蛋白MiD49和MiD51也都参与了线粒体分裂过程，当线粒体分裂时，这些蛋白会招募位于细胞质的Drp1，并与之结合来调控线粒体的分裂〔10〕。另外，在哺乳动物细胞中正常表达的Drp1能维持线粒体动力学平衡，而其显性负突变体Drp1K38A过表达则会引起线粒体的动态异常。研究发现，敲低小鼠的内源性Drp1会明显增加神经细胞与非神经细胞中线粒体的长度〔11〕，导致神经细胞的死亡。因此，Drp1不仅参与调控线粒体的形态，还会影响神经细胞的存活。

2.2 Drp1和线粒体分布 研究报道，Drp1不仅能介导线粒体分裂，而且参与了调节线粒体的分布〔12〕。在AD的锥体神经细胞中，Drp1的表达明显降低，大量线粒体聚集在胞体周围，而轴突远端的线粒体大量缺失〔5〕。对β-淀粉样蛋白前体蛋白(APP)转基因小鼠的原代海马神经细胞的研究发现，相比于野生型的海马神经细胞，在转入APP基因的细胞中线粒体过度分裂，并且大量的线粒体集中分布在胞体〔13〕。在AD的神经细胞中，Drp1能影响线粒体在细胞内的分布，线粒体由长梭形变成椭圆形，并且逐步向胞体靠拢，导致神经末梢的线粒体大量缺失，最终无法供应ATP，影响细胞的存活〔14〕。而线粒分布异常也会影响神经细胞的功能紊乱，在果蝇的研究中发现，轴突末端线粒体的缺失会导致神经突触的功能异常〔15〕。而这些研究表明，在AD的神经细胞中，Drp1介导的线粒体分布会导致神经突触以及神经细胞功能的改变。

2.3 Drp1和过氧化物酶片段化 最近一些研究还表明，Drp1是参与过氧化物酶体的分裂和维持过氧化物酶体形态所必需的，在哺乳动物细胞中，Drp1能和Fis1以及Mff受体相互作用，参与了分割过氧化物酶体的过程〔8〕。为了研究Drp1对过氧化物酶体的影响，在表达Pex11β以及Drp1的显性负突变体Drp1K38A的大鼠模型中，Drp1的表达上调或Drp1与过氧化物酶蛋白Pex11β结合后会使得过氧化物酶体呈细管状，导致过氧化物酶体长度增加，但是不影响过氧化物酶体在细胞内的分布。除此之外，在另外的一些研究当中发现，在敲除Drp1的胚胎成纤维细胞中过氧化物酶体会由原来的椭圆形变成细长的管状，导致过氧化物酶体的长度增加〔11〕。这些研究结果都表明，Drp1在过氧化物酶体的分裂过程中起着重要的作用。

2.4 Drp1磷酸化和线粒体功能的变化 无论是健康还是疾病状态下，Drp1磷酸化都参与了线粒体动力学的过程。而Reddy〔16〕在神经退行性疾病的研究中已经发现，Drp1磷酸化会引起线粒体动态学的变化。Chou等〔17〕研究发现，糖原合成酶激酶(GSK)3β能对Drp1的Ser637，Ser616以及Ser693进行磷酸化修饰。Drp1在Ser 637的磷酸化修饰能抑制线粒体的分裂，但是Drp1在Ser 616的磷酸化修饰则会促进线粒体的片段化。而Drp1在Ser 693磷酸化修饰会导致线粒体融合增加，并且能增强抗凋亡的能力。Kashatus等〔18〕也发现，CDK1介导的Drp1 Ser616磷酸化能促进线粒体的分裂。另外，在Han等〔19〕的研究中，钙调素依赖性蛋白激酶CAMKIα介导Drp1的Ser600磷酸化也能引起线粒体分裂。最近，Yan等〔20〕的研究发现，GSK3β也能对Drp1的Ser40和Ser44磷酸化修饰，引起线粒体过度分裂，导致神经细胞更容易遭受Aβ诱导的凋亡。这些结果都提示，Drp1磷酸化是参与了线粒体动力学的改变，并且能引起线粒体功能的变化。

2.5 Drp1和SUMO化 众多研究表明，SUMO化蛋白和Drp1存在相互作用，并且Drp1与这些蛋白作用可能会调控线粒体分裂〔21〕。尽管SUMO化对神经细胞的发展发育并不重要，但是这种机制能影响神经细胞的存活。Harder等〔22〕发现，Drp1和Ubc9 以及 Sumo1存在相互作用，引起线粒体分裂。研究还发现，Sumo1和内源性Drp1存在共定位的现象，并且瞬时转染Sumo1会导致线粒体片段化水平上升。过表达的Sumo1会特异性抑制Drp1降解，使得Drp1的结构更稳定，活性更高。与此同时，Sumo1的过表达则会引起线粒体片段化增加〔22〕。Braschi等〔23〕发现，Drp1 SUMO化能刺激线粒体分裂。Figueroa-Romero等〔24〕也证实了，Drp1 SUMO化能影响Drp1在细胞内的分布。除此之外，Zunino等〔25〕研究表明，在有丝分裂间期SenP5主要存在细胞核，而在G2/M转换时SenP5会大量聚集在线粒体表面，导致Drp1水平上升，引起线粒的分裂。这些结果表明，Drp1 SUMO化参与调控线粒体分裂。然而有必要进一步研究Drp1 SUMO在神经退行性疾病中的地位，尤其是在AD中。

2.6 Drp1和泛素化 已经有研究表明，Drp1通过线粒体E3泛素连接酶(MARCH5)进行泛素化修饰，从而调控线粒体分裂。Karbowski 利用免疫荧光和生物化学的方法确定Drp1和MARCH5是存在相互作用的，结果发现，突变的MARCH5和MARCH5 RNAi会诱导线粒体融合，从而认为突变的MARCH5会干扰线粒体的分裂。Park等〔26〕研究发现，下调MARCH5表达能导致线粒体长度伸长，抑制Drp1的活性，促进神经细胞衰老。总之，这些研究表明，Drp1存在泛素化修饰过程。然而，目前尚不十分清楚Drp1泛素化修饰在AD以及其他神经退行性疾病的作用。

3 Drp1，线粒体动力学和AD

已经有研究表明，线粒体动力学异常和神经突触损伤发生在AD早期。有研究发现，在稳定表达APPswe的M17细胞中80%存在线粒体动力学紊乱〔27〕。线粒体表现高度的片段化，并且大量集中在细胞核的周围。从功能的观点来看，过表达APP会影响线粒体的多方面功能，包括活性氧簇(ROS)水平上升，线粒体膜电位下降，ATP合成。这些结果最终导致神经功能紊乱。同样还发现在APPwt和APPswe的M17细胞中，Drp1和Opa1表达的下调以及Fis1表达的上调；在过表达APP的M17中，通过产生的大量β淀粉样蛋白(Aβ)，打破线粒体分裂和融合的平衡，最终导致线粒体和神经功能异常。同样，另外的研究中发现，Aβ衍生扩散性配体(ADDLs)会导致线粒体分裂，以及线粒体分布异常；并且ADDLs会导致神经突触的损失，特别是M17细胞的树突棘和PSD95部位〔5〕。

最近，Reddy实验室的研究发现，Aβ能作用于Drp1，影响Drp1的活性和功能，从而引起线粒体功能紊乱以及神经突触的退化。最终导致了AD的发病〔16〕。研究结果显示，利用Aβ25-35处理小鼠的N2a细胞后，线粒体分裂基因的mRNA水平上升，而融合基因的mRNA水平下降，线粒体分裂增加，神经突触减少并且引起突触的功能紊乱，最终导致神经功能的损伤〔28〕。同样地，在Tg2576 转基因小鼠的原代神经细胞研究中发现，Drp1和Fis1的mRNA水平上升，而Mfn1，Mfn2和Opa1的mRNA水平下调。利用透射电子显微镜观察神经元发现，在AβPP原代神经细胞内，线粒体大量聚集在胞体，并且线粒体的嵴已经破碎。说明Aβ寡聚体的累积，也会引起线粒体和神经突触的损失，最终导致神经退行性变的发生。另外，Reddy等〔16〕人还发现，在AD病人的额叶皮层组织中，Drp1和Fis1的表达上升，而Mfn1，Mfn2，Opa1和Tomm40的表达下调。有研究〔29〕利用AD病人的胞质杂种细胞系也发现，线粒体分裂蛋白表达上升，而融合蛋白表达下降。总之，这些研究结果表明，在AD的神经细胞中，Aβ的沉积会引起线粒体的动态异常，神经突触的损伤，最终导致神经退行性改变〔30〕。

4 总 结

线粒体功能障碍和神经突触损伤是AD发病早期的变化。AD的神经细胞中存在线粒体动力学紊乱已经得到证实。越来越多的证据表明，线粒体动力学平衡对维持线粒体的形态，分布和大小是至关重要的。而线粒体动力学异常在神经变性疾病发生和发展过程的地位日益受到重视。虽然许多研究已经阐明，Drp1对线粒体动态调节起着重要的作用，但是Drp1介导线粒体动力学的机制并不是十分清楚。那么，Drp1在线粒体动力学中的研究，不仅在于揭示AD的病理机制，更重要的是为AD的治疗提供了新的靶标。

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〔2016-09-15修回〕

(编辑 袁左鸣)

国家自然科学基金(No.31360241)；国家教育部高校博士点基金-新教师类(No.20123601120001)；江西省教育厅基金(No.GJJ13162)

韩小建(1974-)，男，博士，硕士生导师，主要从事线粒体动态变化的相关研究。 蒋丽萍(1965-)，女，博士，博士生导师，主要从事心血管疾病的相关研究。

胡扬扬(1991-)，男，在读硕士，主要从事阿尔茨海默病的相关研究。

R966

A

1005-9202(2017)06-1535-04；

10.3969/j.issn.1005-9202.2017.06.103

1 南昌大学附属眼科医院眼视光研究所

2 南昌大学医学部药学院