Mfn2調(diào)節(jié)線粒體自噬

黃 健,盧 博,鄒 前，王光華綜述，田洪艷，林冬靜*審校

(吉林醫(yī)藥學(xué)院：1.2015級(jí)臨床醫(yī)學(xué)教改班，2.2014級(jí)臨床醫(yī)學(xué)2班，3.2016級(jí)臨床醫(yī)學(xué)教改班，4.2012級(jí)臨床醫(yī)學(xué)本科班,5.組織學(xué)與胚胎學(xué)教研室,吉林 吉林 132013)

哺乳動(dòng)物的線粒體主要通過(guò)不斷地分裂、融合維持其形態(tài)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)平衡。線粒體融合蛋白2(mitofusin-2,Mfn2)作為線粒體融合蛋白家族的重要一員，不僅介導(dǎo)線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)，調(diào)控線粒體-內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)構(gòu)偶聯(lián)(mitochondria-associated endoplasmic reticulum membrane,MAM)[1]，參與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、線粒體自噬(mitophagy)、增殖、凋亡等細(xì)胞生物活動(dòng)[2]。長(zhǎng)期高脂飲食，可引起Mfn2基因表達(dá)活性下降和線粒體形態(tài)結(jié)構(gòu)異常，從而導(dǎo)致胰島素抵抗?fàn)顟B(tài)[3]。Mfn2基因在骨肉瘤細(xì)胞中的表達(dá)明顯低于正常組織細(xì)胞中的表達(dá)，增殖抑制[4]。Mfn2高表達(dá)的細(xì)胞G1期細(xì)胞增多，S期及G2期細(xì)胞減少，細(xì)胞被阻滯在G1期等改變[5]。在肌肉減少癥中，Mfn2缺乏將會(huì)導(dǎo)致與衰老相關(guān)改變的肌肉萎縮和誘導(dǎo)自噬，并且會(huì)激發(fā)適應(yīng)性線粒體自噬通路[6]。高血壓、動(dòng)脈粥樣硬化、心衰等也與Mfn2有關(guān)。這將提示科研和醫(yī)護(hù)人員以Mfn2為上述疾病預(yù)防和治療的潛在作用靶點(diǎn)。

1 MFN2概述

Mfn2最早是由我國(guó)學(xué)者陳光慧等利用差異顯示技術(shù)研究大鼠血管平滑肌細(xì)胞得到的一個(gè)與高血壓相關(guān)的新基因[7]，擁有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基因。它曾命名為增殖抑制基因(hyperplasia suppressor gene,HSG)，后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)該基因介導(dǎo)線粒體融合，故命名為線粒體融合蛋白2基因。

人類Mfn2由757個(gè)氨基酸殘基組成，位于線粒體外膜上并且兩次跨線粒體外膜，N端是P21ras共有模體及GTP酶結(jié)構(gòu)域，C端的跨膜區(qū)上下游各有一段類似卷曲螺旋的7肽重復(fù)序列(HR1/2),這些共同組成了Mfn2的基本結(jié)構(gòu)(圖1)[8]。Mfn2除介導(dǎo)線粒體融合、線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)，線粒體能量代謝以外，還與Ca2+信號(hào)途徑有關(guān)[9]。Mfn2還存在與線粒體相連的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)構(gòu)表面，可與線粒體上Mfn1形成異源二聚體或者M(jìn)fn2形成同源二聚體，維持線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的連接[10]。

圖 1 Mfn2結(jié)構(gòu)示意圖

2 Mfn2調(diào)節(jié)線粒體自噬的機(jī)制

線粒體自噬是細(xì)胞選擇性地通過(guò)自噬泡包裹受損線粒體并被溶酶體降解的過(guò)程[11]。線粒體自噬可以清除受損線粒體以保證細(xì)胞內(nèi)線粒體的質(zhì)量，維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)以適應(yīng)細(xì)胞生存環(huán)境。Mfn2調(diào)節(jié)線粒體自噬體現(xiàn)在兩個(gè)不同階段，一是在自噬體形成的起始階段調(diào)節(jié)，二是在自噬體成熟階段調(diào)節(jié)[12]，主要機(jī)制包括以下三方面。

2.1 Mfn2通過(guò)調(diào)節(jié)線粒體形態(tài)間接影響線粒體自噬

當(dāng)正常線粒體接收細(xì)胞應(yīng)激，未折疊蛋白反應(yīng)或饑餓等信號(hào)時(shí)，線粒體發(fā)生去極化并生成兩個(gè)子線粒體，線粒體膜的電化學(xué)濃度梯度改變，其中有一個(gè)線粒體的膜電位上升，使其更易與其他線粒體發(fā)生融合回歸線粒體網(wǎng)絡(luò);另一個(gè)線粒體的膜電位降低，使其從線粒體網(wǎng)中隔離后通過(guò)線粒體自噬途徑降解，說(shuō)明線粒體融合可以競(jìng)爭(zhēng)性抑制線粒體自噬。同時(shí)給予氨基酸缺乏刺激，Mfn2敲除的果蠅S2R+細(xì)胞中線粒體自噬較正常細(xì)胞明顯增加，進(jìn)一步論證了線粒體分裂促進(jìn)線粒體自噬，反之融合則抑制線粒體自噬。當(dāng)發(fā)生線粒體自噬時(shí)，Mfn1/2首先被PTEN誘導(dǎo)假定激酶1(PTEN induced kinase 1,PINK1)磷酸化后，再被由PINK1選擇性磷酸化并招募至線粒體上的Parkin(E3泛素連接酶，ser-thr kinase)泛素化修飾后經(jīng)蛋白酶體降解，抑制受損線粒體融合，改變線粒體形態(tài)學(xué)及影響線粒體動(dòng)力學(xué)，從而正向調(diào)節(jié)線粒體自噬[13]。

2.2 Mfn2通過(guò)影響線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)及其核周聚集間接調(diào)控線粒體自噬

Mfn1/2直接與微管系統(tǒng)結(jié)合進(jìn)而影響線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)，而發(fā)生線粒體自噬時(shí)，下調(diào)的Mfn2使線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)受阻更易于發(fā)生線粒體自噬[14]。ROJO等發(fā)現(xiàn)，過(guò)表達(dá)Mfn2明顯促進(jìn)線粒體聚集在核周區(qū)域獨(dú)立的骨架，使線粒體膜保持與線粒體緊密接觸，參與線粒體結(jié)構(gòu)的修改，同時(shí)不干擾的內(nèi)外膜的完整性[15]。線粒體融合度增加[16]，線粒體延長(zhǎng)，線粒體網(wǎng)擴(kuò)大，從而抑制線粒體自噬。

2.3 Mfn2直接參與調(diào)節(jié)線粒體自噬

Mfn2作為Parkin線粒體膜上的受體直接參與調(diào)節(jié)線粒體自噬[17]，被PINK1磷酸化的Mfn2能與Parkin結(jié)合，使其定位于線粒體外膜上，Parkin泛素化修飾Mfn1/2，從而抑制線粒體融合，使受損線粒體單獨(dú)存在。此時(shí)自噬相關(guān)基因(autophagy related gene,Atg)12首先由E1樣酶Atg7活化，之后轉(zhuǎn)運(yùn)至E2樣酶Atg10，最后與Atg5結(jié)合。Atg12-Atg5復(fù)合物與Atg16結(jié)合形成Atg12-Atg5-Atg16復(fù)合物，最終Atg12-Atg5-Atg16復(fù)合物和微管相關(guān)蛋白1輕鏈3(microtubule associated protein light chain 3，LC3)的復(fù)合體定位在細(xì)胞內(nèi)未知膜上[18]。未知膜通過(guò)未知的信號(hào)靶向定位在單個(gè)去極化的線粒體上，進(jìn)而未知膜完全包圍在單個(gè)發(fā)生去極化損傷的線粒體表面形成線粒體自噬體。Atg12-Atg5-Atg16與LC3-Ⅱ復(fù)合物釋放到自噬體表面，一旦自噬體與溶酶體融合，自噬體內(nèi)的LC3-Ⅱ即被溶酶體中的水解酶降解[19]。

3 展 望

隨著研究的不斷深入和領(lǐng)域的拓展，發(fā)現(xiàn)Mfn2除了抑制細(xì)胞增殖和介導(dǎo)線粒體融合，還對(duì)細(xì)胞能量代謝、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、凋亡、線粒體自噬等生命活動(dòng)過(guò)程均有重要調(diào)節(jié)作用，還參與構(gòu)成MAMs結(jié)構(gòu)。Mfn2功能的多樣性預(yù)示著廣泛的應(yīng)用前景。事實(shí)上，Mfn2在腫瘤、運(yùn)動(dòng)性神經(jīng)性疾病和心血管系統(tǒng)疾病治療中的價(jià)值已得到重視。盡管如此，目前仍有眾多科學(xué)問(wèn)題亟待解決，如Mfn2在自噬中的作用機(jī)制、Mfn2又是如何調(diào)節(jié)UPR、Mfn2在MAM結(jié)構(gòu)中是否發(fā)揮其他作用、Mfn2與體內(nèi)其他信號(hào)通路是否還有作用、又與哪些信號(hào)通路有關(guān)系、是正向調(diào)控還是反向抑制，這些問(wèn)題的解決有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)Mfn2在生物學(xué)中的作用機(jī)制。

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