ATP合酶C亞基與線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔的研究進展

劉媛媛 王 來

(河南大學生命科學學院 開封 475001)

線粒體膜功能的完整對于維持細胞的正常代謝至關(guān)重要。一般情況下，線粒體膜對轉(zhuǎn)運的物質(zhì)具有高度選擇性，能維持膜兩側(cè)的電化學質(zhì)子梯度，從而保證能量分子ATP的生成。然而，在病理情況下，線粒體膜發(fā)生通透性轉(zhuǎn)換(permeability transition，PT)，膜對物質(zhì)的選擇性喪失，致使膜兩側(cè)電化學質(zhì)子梯度消失，氧化磷酸化過程破壞，能量生成被迫停止。同時，線粒體內(nèi)的細胞色素C、凋亡誘導因子(apoptosis-inducing factor，AIF)等促凋亡分子釋放到胞質(zhì)，誘導細胞凋亡。線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔( mitochondrial permeability transition pore，MPTP)是由多個蛋白質(zhì)組成的貫穿線粒體內(nèi)外膜的非選擇性孔道，介導線粒體通透性轉(zhuǎn)換。近年研究發(fā)現(xiàn)，線粒體內(nèi)膜上的ATP合酶C亞基參與線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔的形成。本文對ATP合酶C亞基組成的C-環(huán)結(jié)構(gòu)、功能及參與線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔形成和調(diào)控的研究進展進行綜述。

1 C-環(huán)與ATP合酶

1.1 C-環(huán)結(jié)構(gòu)與ATP合酶 ATP合酶位于線粒體內(nèi)膜上，參與細胞的氧化磷酸化過程，在質(zhì)子流推動下，驅(qū)動ATP合成。ATP合酶由偶聯(lián)因子0(F0)和偶聯(lián)因子1(F1)兩部分組成，其中F1具有親水性，主要催化ATP的合成，在缺乏質(zhì)子梯度的情況下呈現(xiàn)水解ATP的活性；F0則具有疏水性，嵌合于線粒體內(nèi)膜上。F0的C亞基排列成圓環(huán)，被稱為C-環(huán)(C-Ring)，它實質(zhì)是一個圓柱狀的疏水孔，也位于線粒體內(nèi)膜上。C-環(huán)由8～15個C亞基組成，不同物種具有不同的C亞基數(shù)目。但在同一物種內(nèi)，C亞基數(shù)目及C-環(huán)的相對分子量與結(jié)構(gòu)都是高度保守的[1]。C亞基是組成C-環(huán)的基本單位，具有疏水性，通常呈發(fā)夾式結(jié)構(gòu)。C亞基的氨基和羧基末端都發(fā)生α-折疊，并位于另一個亞基相同末端的兩側(cè)，形成同心圓結(jié)構(gòu)。一些成環(huán)結(jié)構(gòu)把這些同心圓連接起來組成一個大的中空圓環(huán)，即C-環(huán)[2]。偶聯(lián)因子0(F0)包括a、e、f、g、A6L和C-環(huán)等亞基，偶聯(lián)因子1(F1)包括三個拷貝的α與β亞基和一個拷貝的γ、δ和ε，以及沿a亞基延伸b、d、F6和寡霉素敏感蛋白(oligomycin sensitivity conferral protein ,OSCP)等亞基[3]。F1的γ亞基與ε亞基連接，并與F0的C-環(huán)相互聯(lián)系，位于中空的C-環(huán)內(nèi)部，組成ATP合酶的轉(zhuǎn)子。而α、β、a和b亞基與δ亞基相互聯(lián)系，組成ATP合酶的定子[4]。OSCP與δ亞基的功能相似[5]。

1.2 C-環(huán)在ATP合成中的作用 C-環(huán)作為ATP合酶的結(jié)構(gòu)成分，在ATP合成過程中發(fā)揮重要作用。細胞通過氧化磷酸化供能時，在電子傳遞鏈的作用下，線粒體內(nèi)膜兩側(cè)形成質(zhì)子電化學梯度，質(zhì)子的轉(zhuǎn)運必須在ATP合酶的作用下完成。研究發(fā)現(xiàn)其跨膜通道位于a亞基與C-環(huán)之間，并且當質(zhì)子通過該通道時會引起C-環(huán)的旋轉(zhuǎn)，這就會導致連接F1與C-環(huán)的中心亞基發(fā)生逆時針旋轉(zhuǎn)運動[6]，也可能是垂直于膜的往返運動[5]，進而把質(zhì)子跨膜信號傳遞到F1，使其催化ATP的合成。

2 C-環(huán)與線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔

2.1 C-環(huán)參與線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔的形成 線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔參與多種疾病的病理過程。實驗證明，環(huán)孢素A (cyclosporinA, CsA)、飽和脂肪酸(saturated fatty acids，SFA) 等分子可抑制該通道開放，從而緩解病癥的發(fā)生、發(fā)展。因此，線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔的分子結(jié)構(gòu)及調(diào)控機制受到廣泛深入的研究。早期研究認為，位于線粒體外膜上的電壓依賴性陰離子通道蛋白 (voltage dependent anion channel，VDAC)、內(nèi)膜上的腺苷酸轉(zhuǎn)移酶 (adenine nucleotide translocator，ANT)、基質(zhì)側(cè)的親環(huán)蛋白D(cyclophilin D，Cyp-D) 和磷酸轉(zhuǎn)運體(phosphate carrier，PiC)等蛋白可能是線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔的重要結(jié)構(gòu)成分。然而，將這些蛋白的基因分別敲除后發(fā)現(xiàn)，它們并不是構(gòu)成線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔的必需結(jié)構(gòu)成分。

研究發(fā)現(xiàn)，ATP合酶中的C-環(huán)才可能是線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔的主要結(jié)構(gòu)和功能成分：把F0F1二聚體重建在脂質(zhì)膜上并用鈣離子處理后，發(fā)現(xiàn)其可形成一個類似線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔的活性通道[7]；構(gòu)建在人工線粒體膜上的純化的C亞基或F0可以單獨形成離子通道[8]，而該通道可通過非特異性電流，并當有離子通過時其直徑會持續(xù)增大，這從側(cè)面證實C-環(huán)可以構(gòu)建通透性轉(zhuǎn)換孔[9]；C亞基基因被敲除或沉默后，高濃度鈣離子不能再誘導線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔的開放[10]。相反，C亞基的過表達會顯著增強線粒體的通透轉(zhuǎn)換作用[11]，說明C亞基構(gòu)成的C-環(huán)可能參與線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔的通透作用；C-環(huán)還具有形成通透性轉(zhuǎn)換孔的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，它鑲嵌于線粒體內(nèi)膜并位于F1F0二聚體的外圍，獨立于中心部位，便于與其他亞基分離形成離子通道[11]。

Azarashvili等指出磷酸化的C亞基可以加快通透作用，使時間更短更有效，且可增強通透性轉(zhuǎn)換孔對陽離子選擇透過的敏感性，進一步證明C亞基可能是通透性轉(zhuǎn)換孔的組成成分。另外，對于所有具有相似氨基酸序列的C亞基，形成通透孔的能力是區(qū)分它們的重要特征[12]。當C-環(huán)與水接觸時結(jié)構(gòu)由α-折疊變?yōu)棣?轉(zhuǎn)角，促進離子通道的形成，所形成的離子通道直徑約為2.3 nm；當發(fā)生通透轉(zhuǎn)換作用時C-環(huán)的直徑會增大，可以允許分子量達1.5 kDa的分子通過，這與線粒體內(nèi)膜發(fā)生滲透轉(zhuǎn)換作用的溶解物分子量基本一致[8]。Bernardi等指出，在C-環(huán)形成通道孔時，必須保持F1F0二聚體的結(jié)構(gòu)完整性[13]。然而，干擾素-1(interferon 1，IF1)可以穩(wěn)定F1F0二聚體的結(jié)構(gòu)，保護線粒體形態(tài)和亞顯微結(jié)構(gòu)，使細胞免受ATP合酶被抑制劑抑制所引起的細胞死亡。但是，它卻抑制了線粒體通透性轉(zhuǎn)換的敏感性[14]，說明C-環(huán)必須和F1分離才能形成通透孔，發(fā)揮通透轉(zhuǎn)換作用，推翻了Bernardi的說法。以上的研究結(jié)果均表明C-環(huán)參與線粒體內(nèi)膜上通透性轉(zhuǎn)換孔的形成，但其詳細結(jié)構(gòu)組成形式仍需進一步的實驗證明。

2.2 C-環(huán)參與線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔的調(diào)控 在ATP合成過程中，C-環(huán)協(xié)同ATP合酶的轉(zhuǎn)子部分發(fā)揮作用；當ATP合成被終止時， C-環(huán)可通過結(jié)構(gòu)形變發(fā)揮通透轉(zhuǎn)換作用。例如，當線粒體基質(zhì)內(nèi)鈣離子濃度超出一定范圍時，ATP合酶的F0與F1亞單位被迫分離，導致F1的γ等亞基脫離C-環(huán)，使后者成為一個通道孔，進而導致線粒體內(nèi)膜發(fā)生通透轉(zhuǎn)換作用，引起細胞凋亡[8]。研究表明，把純化的C-環(huán)重建在脂質(zhì)體上，發(fā)現(xiàn)鈣離子作用位點可能位于F1的β亞基，而不是F0的C-環(huán)上[15]。進一步研究發(fā)現(xiàn)，β亞基可堵塞C-環(huán)形成的離子通道孔[16]，而超大B細胞淋巴瘤因子(B-cell lymphoma-extra large，Bcl-xl)、ATP和ADP等分子均可作用于β亞基從而抑制C-環(huán)通道孔的形成[9]。Jonas等指出調(diào)控C-環(huán)通道孔開閉的分子作用于與F0相聯(lián)系的F1亞基、ANT或Cyp-D上，從而間接發(fā)揮調(diào)控作用[8]。最早研究認為，親環(huán)蛋白D通過結(jié)合寡霉素敏感蛋白抑制ATP合酶活性，而環(huán)孢素可抑制親環(huán)蛋白D的結(jié)合從而使酶活性恢復[7]。然而，將純化的C亞基構(gòu)建在脂質(zhì)膜上發(fā)現(xiàn)，在不受親環(huán)蛋白D的調(diào)控下，仍能發(fā)生通透轉(zhuǎn)換作用[9]。其他研究表明，腺苷酸轉(zhuǎn)移酶和磷酸轉(zhuǎn)運體具有調(diào)節(jié)C-環(huán)形成滲透轉(zhuǎn)換孔的能力[17]。但是，沉默或敲除磷酸轉(zhuǎn)運體基因后，發(fā)現(xiàn)并不影響線粒體內(nèi)膜的通透轉(zhuǎn)換作用。

由此可見，這些已發(fā)現(xiàn)的調(diào)控MPTP的蛋白因子其具體作用機制仍存在不確定性，另外，或許還有一些參與調(diào)控的蛋白因子未被發(fā)現(xiàn)。因此，要徹底闡明通透性轉(zhuǎn)換孔的調(diào)控機制，仍需要進行深入的研究。

3 小結(jié)

近年來，對線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔分子結(jié)構(gòu)及調(diào)控機制的研究取得了巨大的進展，尤其是ATP合酶C亞基組成的C-環(huán)被證明是線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)分子。然而，C-環(huán)如何發(fā)揮對通透性轉(zhuǎn)換孔的調(diào)控作用，仍需要進一步的證實。而在ATP合酶催化ATP合成過程中，C-環(huán)如何參與及調(diào)控這個過程也需要進一步的闡明。若C-環(huán)作為通透性轉(zhuǎn)換孔的結(jié)構(gòu)分子參與線粒體通透轉(zhuǎn)換的調(diào)控機制最終被闡明，那么ATP合酶就是一個控制著細胞生存與死亡的雙功能復合蛋白。一方面催化ATP的合成，為細胞提供能量，維持正常生理代謝；另一方面在某些條件刺激下又可通過C-環(huán)的形變構(gòu)建線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔促使細胞凋亡。對C-環(huán)在ATP合成中的作用和參與線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔形成與調(diào)控機制的深入認識，不僅有助于闡明線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔的實質(zhì)結(jié)構(gòu)和生理功能，而且有助于臨床上基于調(diào)控線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔敏感性的藥物開發(fā)。

總之，組成ATP合酶的C-環(huán)由于其結(jié)構(gòu)、位置以及功能的特殊性，在細胞的生命活動中具有至關(guān)重要的作用，扮演著不可替代的角色，是一個“神奇”的蛋白質(zhì)。