促线粒体融合分裂蛋白在线粒体融合、分裂和细胞凋亡中的调控机制研究进展

周曼丽 王健章,2 冯 宇 俞赟丰 刘皓辰 简维雄,3

1.湖南中医药大学中医学院，湖南长沙 410208；2.湖南中医药大学第一附属医院心血管内科，湖南长沙 410007；3.湖南中医药大学国家重点学科中医诊断学 湖南省重点实验室，湖南长沙 410208

线粒体存在于大多数细胞类型中，是主要的产能结构。线粒体中含有众多酶系，能通过电子传递链与氧化磷酸化偶联生成三磷酸腺苷，为生命活动提供巨大的能量。线粒体功能的实现与结构的变化密不可分。线粒体融合与分裂是是实现功能的基础。正常情况下，线粒体融合、分裂协同进行并保持动态平衡，以维持细胞内线粒体的形态、结构和功能稳定[1]。在细胞凋亡的过程中，融合分裂运动失衡，线粒体网络状结构被破坏，细胞色素C 等促凋亡因子被释放。截至目前，在哺乳动物中研究较多的线粒体融合蛋白包括线粒体融合蛋白1（mitofusin 1，Mfn1）和线粒体融合蛋白2（mitofusin 2，Mfn2）[2]；线粒体分裂蛋白包括动力相关蛋白1（dynamin-related protein 1，Drp1）[3]。本文结合已经取得的研究成果，就促线粒体融合分裂蛋白在线粒体融合、分裂和细胞凋亡中的调控机制作简要综述。

1 Mfns 与线粒体融合

1.1 线粒体融合

19 世纪90 年代，线粒体首先在动物细胞中被发现，当时将其描述为生物芽体。随后不久，生物学家Benda 将它正式命名为线粒体。随着三维成像技术以及荧光标记技术的发展[4]，线粒体的超微结构逐步被大家熟知。线粒体形态和数量主要取决于融合和分裂活动的平衡。线粒体融合转变增加使细胞能够建立扩展的相互连接的线粒体网络，而向分裂转变增加则产生许多形态和功能上不同的小球形细胞器[5]。线粒体网络状结构的形成是以膜结构的融合为前提的。折叠成嵴结构的内膜的融合扩大了膜结构的面积，有助于相邻线粒体之间信息交流，实现线粒体氧化磷酸化功能的最大化，对细胞生命活动具有重要的意义。到目前为止，在哺乳动物中研究较多的线粒体融合蛋白包括Mfn1、Mfn2[6]。

1.2 Mfn1 和Mfn2 对线粒体融合的调节作用

线粒体融合蛋白1/2（mitofusion1/2，Mfn1/2）是线粒体外膜融合的关键蛋白，两者在结构上具有高度的相似性。Mfn1 分子C 端的七肽重复序列（HR1、HR2）能够与其自身或者与Mfn2 分子C 端类似的结构域相互结合，形成同型或异型二聚体,有利于线粒体外膜的融合[7]。研究发现，基因敲除Mfn1/2 后，线粒体内外膜融合均受到显著抑制。然而Yue 等[7]利用小分子抑制剂使Mfns 去泛素化后发现，线粒体中的Mfn1 或Mfn2 虽缺乏，却仍能发生融合以维持其网络状结构，这说明Mfn1 与Mfn2 并不是影响线粒体外膜融合的绝对因素。Mfn1/2 在功能上存在一定的差异性。Mfn1的GTPase 的活性比Mfn2 高，水解GTP 较快，促进线粒体融合的效率比Mfn2 强[8]。Patrushev 等[9]研 究 发现，抑制Mfn1 蛋白会产生短棒状或圆盘状线粒体，而抑制Mfn2 蛋白后，线粒体形态大小不一，各不相同[10]，碎片化程度更加严重。在小鼠模型中重新表达基因敲除后的Mfn1，片断化的线粒体会恢复为长管状，然而重新表达已经敲除的Mfn2 基因，线粒体的形态虽会有一定程度的恢复，但不如重新表达的Mfn1 基因[11]。可认为Mfn1 在线粒体融合中扮演着比Mfn2 更为重要的角色。

2 Drp1 与线粒体分裂

2.1 线粒体分裂

线粒体的分裂在真核细胞内经常发生。线粒体的分裂是不均匀的，通常会分裂出膜电位正常且遗传信息正常的线粒体，用于后续融合分裂以及生物学效应；而另外一部分膜电位低且OPAl 含量很低的线粒体通常认为是功能受损的线粒体，将会通过线粒体自噬途径被降解[12-13]，从而保证线粒体基因组的完整性，抵制细胞衰老[13-14]。在分裂障碍的细胞中，线粒体会聚集在一起，导致细胞内许多区域因线粒体分布不均而造成局部能量供应缺失[15]。哺乳动物体内参与线粒体分裂的蛋白主要是Drp1[16]。

2.2 Drp1 对线粒体分裂的调节作用

Drp1 属于动力蛋白超家族成员之一，是线粒体分裂的必需蛋白。Drp1 蛋白由4 个结构域组成，分别为N 末端的GTPase 结构域、C 末端的GTPase 效应器结构域、中央结构域、可变结构域及GED 结构域[16]。其中GTPase 结构域可以水解GTP 释放能量,为Drp1 向外膜移动做准备；中央结构域对于Drp1 组装成高度有序的结构非常重要；可变结构域是Drp1 最活跃的区域，此结构域可以通过磷酸化、泛素化等来调节线粒体的分裂过程；GED 结构域对于介导分子间相互作用非常重要，是GTPase 的活性调节以及Drp1 的线粒体锚定所必需的结构域[17-18]。Drp1 缺少Dynamin 家族具有膜定位功能的结构域（pleckstrin homology，PH）[19]，因此位于胞浆的Drp1 募集至线粒体外膜，需与Fis1（外膜蛋白）等结合才能完成线粒体的分裂。在分裂过程中，多个Drp1 分子募集至线粒体外膜潜在分裂位点，围绕线粒体形成环状多聚物，在GTP 水解作用下，Drp1 环状多聚物逐渐收缩[20]，直至线粒体断裂，产生两个独立的线粒体。Drp1 还可以通过磷酸化、泛素化等来影响线粒体的分裂过程。如Drp1 第616 丝氨酸磷酸化后，线粒体发生分裂，而Drp1 第637 位或656 位丝氨酸磷酸化则使Drp1 失活，抑制线粒体分裂，促进线粒体融合[21-22]。若Drp1 第637 位丝氨酸发生去磷酸化，Drp1 在线粒体外膜聚集增加，线粒体发生片段化，引起胞内Ca2+超载及ROS 的大量产生，最终导致细胞凋亡[16]。

3 线粒体融合、分裂运动与细胞凋亡

线粒体是哺乳动物细胞凋亡的关键调节因子[5]，通过释放细胞色素C 等促凋亡因子，其在细胞凋亡进程中发挥重要作用[23]。线粒体分裂增加会导致线粒体碎片化程度加重。在细胞凋亡的早期阶段，分裂复合物向线粒体的募集增多，这对执行细胞凋亡程序很重要。粒体分裂参与外膜通透性（MOMP）调控。MOMP被认为是一个不能返回的点，它允许凋亡因子从膜间间隙漏出，最显著的是细胞色素C 释放，细胞凋亡下游通路被激活，最终导致细胞死亡[24]。在细胞凋亡的过程中，Drp1 的募集增强。Bcl-2 家族成员bax 与Drp1 在负责细胞色素C 释放的分裂位点共表达[25]，这是Caspase-3 激活的一个重要早期事件，最终诱导细胞凋亡。通过RNAi 下调Drp1，不仅能够延迟线粒体分裂，还能抑制细胞色素C 释放和细胞死亡[26]。已有研究人员通过在体外使用Drp1 的一个显性负点突变株进一步证实了这一结果，发现它成功地减弱了线粒体碎片，并抑制了细胞色素C 的释放[27]，最终阻断了细胞凋亡下游通路的激活。

抑制线粒体融合能够促使细胞凋亡的发生。Bcl-2家族成员是一组在细胞凋亡调控中起重要作用的蛋白质，这些蛋白分为两个亚家族，在细胞凋亡调节中起着相反的作用。Bax/Bak 是线粒体融合蛋白Mfn1/2在线粒体凋亡通路中联系枢纽之一[28]。Karbowski 等[29-30]研究发现，在细胞凋亡过程中，Bax 转移的过程与线粒体片段化同步进行，Bax 和Bak 转移至线粒体外膜Mfn2 所在的潜在分裂位点，在分裂过程中与mfn2 共存，同时Bax/Bak 可以在线粒体外膜上形成孔道，允许多种线粒体蛋白进入胞浆，其凋亡构象可能会抑制mfn2 活性，导致线粒体形态碎片化和细胞凋亡的发生[30]。在支伟伟等[31]的研究中，体外培养H9C2 心肌细胞，通过沉默RNA 方式降低Mfn1 的表达，结果发现降低Mfn1 表达后可显著增加H9C2 心肌细胞内活性氧的产生，促进细胞色素C 释放，激活Caspase 通路，从而引发细胞凋亡。

4 总结与展望

线粒体是真核细胞中一种高度动态变化的细胞器，在细胞能量代谢中处于核心地位[32]。线粒体融合、分裂运动协同进行并保持动态平衡，以维持细胞内线粒体的形态、结构和功能的稳定[33]。Mfn1/2 通过形成同型或异型二聚体使相邻的线粒体完成融合[7]，是线粒体融合的关键蛋白。基因敲除Mfn1/Mfn2 会导致线粒体外膜融合障碍，但也有实验结果表明Mfn1 与Mfn2 并不是影响线粒体融合的绝对因素，缺乏Mfn1或Mfn2 的线粒体，网络状结构仍存在。线粒体的分裂在真核细胞内经常发生。Drp1 是线粒体分裂的必需蛋白，在受体蛋白的募集作用下定位于线粒体外膜，通过磷酸化、泛素化等来调节线粒体的分裂过程。线粒体融合、分裂蛋白功能失调，线粒体发生片段化,网状结构被破坏，最终导致细胞凋亡[33]。

综上，对于线粒体融合蛋白与分裂蛋白在线粒体形态结构以及功能的实现中的作用已经取得了显著的成就，但是如何以线粒体动力学为突破口，将现有的研究成果更好地用于细胞生长、衰老和凋亡等生理、病理过程的干预还需要更加深入的研究。