線粒體融合、分裂與心肌缺血再灌注損傷的研究進展

許美芬+梁玲芝+趙磊+陳賢君

[摘要]線粒體是真核細胞中一種高度動態(tài)變化的細胞器，這種網(wǎng)絡結構的動態(tài)平衡受線粒體融合蛋白1/2（Mfn1/2），視神經(jīng)萎縮蛋白1（OPA1）和動力相關蛋白1（Drp1）的調節(jié)，并對線粒體的結構和功能有著重要的作用。心肌細胞因其高耗能性而富含線粒體，線粒體融合、分裂的動態(tài)平衡在心肌細胞的能量代謝過程中起著關鍵的作用。目前的研究普遍認為，心肌細胞能量代謝障礙是心肌缺血再灌注損傷的始發(fā)環(huán)節(jié)。因此，由線粒體融合、分裂異常引起的功能障礙與心肌缺血再灌注損傷密切相關。

[關鍵詞]線粒體；融合與分裂；心肌細胞；缺血再灌注損傷

中圖分類號：R3632；R5418文獻標識碼：A文章編號：1009_816X（2017）06_0463_04

doi：103969/jissn1009_816x20170616線粒體在真核生物細胞內主要通過氧化磷酸化作用，合成三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）為各種生命活動提供能量，是細胞的能量工廠。細胞內線粒體是一種處于高度運動狀態(tài)不斷進行融合與分裂過程的細胞器，它會隨著細胞的不同生理狀態(tài)而發(fā)生適應性的改變[1]。線粒體融合、分裂之間的動態(tài)平衡對細胞正常生理功能，尤其是高能量需求的心肌細胞更為重要，這是因為線粒體占了心肌細胞總體積的30%，經(jīng)氧化磷酸化作用每天可產(chǎn)生6kg左右的ATP以維持心臟的正常功能[2]，這足以證明線粒體融合、分裂在心肌細胞的能量代謝過程中是至關重要的[3]。目前的研究認為，心肌能量代謝障礙是心肌缺血再灌注損傷（ischemia reperfusion injury，IRI）的始發(fā)環(huán)節(jié)[4]，而相關的研究證實，由線粒體融合、分裂異常引起的線粒體功能障礙與IRI密切相關。

1線粒體融合、分裂相關蛋白的分子結構

11線粒體融合相關蛋白的分子結構：線粒體是一種多功能、雙層膜結構的半自主性細胞器，它的融合包括線粒體外膜（outer mitochondrial membranes，OMM）的融合和線粒體內膜（inner mitochondrial membranes，IMM）的融合。在哺乳動物中，線粒體外膜融合的分子學基礎是Mitofusin1（Mfn1）和Mitofusin2（Mfn2），兩者具有相似的分子結構，即N_末端保守的三磷酸鳥苷（guanosine triphosphate，GTP）酶結構域、C_末端的跨膜結構域（transmembrane domain，TMD）及TMD兩側的1個疏水基團，即卷曲螺旋式的七肽重復序列（heptad_repeat domain，HR1/2）。在線粒體外膜融合過程中，2個鄰近線粒體外膜上的Mfn1和Mfn2相互連接以啟動線粒體外膜的融合。視神經(jīng)萎縮蛋白1（OPA1）介導線粒體內膜的融合，其含GTP酶結構域，中間區(qū)和GTP酶效應結構域這三個保守的結構域。研究證明，OPA1在線粒體融合過程中，既能保證線粒體內膜結構的穩(wěn)定，還可參與線粒體嵴的重構[5]。

12線粒體分裂相關蛋白的分子結構：在哺乳動物中，一種分子質量為80kD的動力相關蛋白1（dynamin_related protein1，Drp1，酵母中為Dnm1）參與線粒體的分裂過程[2，6]。Drp1是一種可溶性胞質蛋白，含N_末端的GTP酶結構域，中間區(qū)的Dynamin同源結構域和C末端的GTP酶效應結構域，經(jīng)以螺旋微絲的方式纏繞于線粒體的微管周圍。細胞質中的Drp1介導線粒體的分裂過程，它在線粒體外面形成一個環(huán)形結構，并進一步收縮，將線粒體分成兩個子線粒體[1]。近來的研究發(fā)現(xiàn)，線粒體分裂蛋白1（fission 1，F(xiàn)is1），線粒體分裂因子（mitochondrial fission factor，Mff）和線粒體動力蛋白Mid49/51（mitochondrial dynamics protein of 49 and 51 kD）有利于Drp1的募集，且它們作為受體樣蛋白可單獨將Drp1募集至線粒體外膜而互不影響[7，8]。Fis1是一種分子質量為17kD的小分子蛋白，其N_末端暴露于細胞質，含多種TPR基序（Tetratricopeptide repeat motif），經(jīng)C_末端的TMD錨定于線粒體外膜，通過與Drpl相互作用，促進線粒體分裂。Mff與Fis1類似，也是通過C_末端的TMD嵌入線粒體外膜。Fis1和Mff除募集Drp1外，它們還可以在線粒體分裂過程中，促進Drp1在線粒體外膜自主裝呈螺旋結構[8]。一個有趣的研究結果是Mff和Mid49/51在線粒體外膜Drp1的GTP酶活性上具有截然不同的作用效果，Otera等[9]的研究表明，Mff能將Drp1募集至線粒體外膜以促進線粒體的分裂，且過程并未受到Fis1的影響或調節(jié)；而Mid49/51卻能抑制Drp1的GTP酶活性[10]。研究發(fā)現(xiàn)線粒體蛋白18（mitochondrial protein of 18 kD，MTP18）、神經(jīng)節(jié)苷酯誘導分化相關蛋白1（ganglioside_induced differentiation_associated protein_1，GDAP1）、endophilin B1（Endo B1）和LRRK2可能有促進線粒體分裂的作用，但它們發(fā)揮作用的具體機制還有待進一步研究。

2線粒體融合、分裂與心肌細胞的關系

線粒體通過形態(tài)改變以適應細胞周圍環(huán)境的變化，而線粒體形態(tài)變化與線粒體融合、分裂的平衡有關[11]：當抑制線粒體分裂，線粒體融合占優(yōu)勢時，線粒體呈現(xiàn)長管網(wǎng)狀結構且網(wǎng)絡化程度增強；當抑制線粒體融合，線粒體分裂占優(yōu)勢時，線粒體發(fā)生片段化，出現(xiàn)短棒、圓球狀線粒體。由此可見，線粒體融合、分裂對其結構和功能是至關重要的，而線粒體結構和功能的完整性是心肌保護的核心[12]。研究表明，線粒體融合和分裂相關蛋白在成人心肌細胞中具有高表達性[13]，敲除成人心肌細胞中Mfn1和Mfn2基因將產(chǎn)生片段化的線粒體[14，15]，而敲除Drp1基因可產(chǎn)生延長的線粒體[14，16]，證實線粒體融合、分裂過程在成人心臟中是普遍存在的。與成人心肌細胞線粒體相比，心臟干細胞的線粒體和胚胎或發(fā)育心肌細胞的線粒體具有更高的動態(tài)性，彼此之間的聯(lián)系也更為緊密[17，18]。事實上，線粒體重構對心肌細胞分化具有潛在的影響，這是由于線粒體外膜蛋白Mfn1和Mfn2、線粒體內膜蛋白OPA1和線粒體分裂蛋白Drp1都參與線粒體的重構過程，擾亂線粒體重構可以影響心肌細胞和成人肌細胞的分化。因心肌細胞需定期頻繁收縮而富含線粒體，線粒體融合、分裂的動態(tài)平衡不僅有利于線粒體之間的交流與溝通，而且在維持心肌細胞正常的收縮功能及能量代謝中也發(fā)揮重要的作用[19]。因此，干預心肌細胞線粒體的融合、分裂過程可能是治療心臟疾病的一個潛在靶點。endprint

3線粒體融合、分裂與心肌缺血再灌注損傷

急性心肌梗死發(fā)病率呈逐年攀升現(xiàn)象，盡管臨床上溶栓、介入等治療方法不斷得到改善，但有時未必能及時使缺血的心肌功能恢復，反而加重心肌的功能障礙和結構損傷等，即心肌細胞缺血再灌注損傷等，這也是其死亡率居高不下的主要原因。線粒體結構和功能的完整性是心肌保護的核心，在某些病理生理性改變如缺血或再灌注時，其結構和功能的紊亂很可能是IRI的重要原因。

31線粒體融合與IRI：線粒體融合通過稀釋線粒體受損蛋白或使正常的線粒體DNA進入有缺陷的線粒體從而起到保護作用。近來關于HL_1心肌細胞、新生嚙齒動物心肌細胞和成年嚙齒動物心肌細胞中Mfn1、Mfn2和OPA1對急性IRI的易感性研究結果不盡相同。Ong等[20]在HL_1細胞系上的研究表明，Mfn1或Mfn2過表達能抑制線粒體膜通透性轉換孔（mitochondrial permeablity transition pore，mPTP）的開放，減少心肌缺血再灌注損傷后的細胞死亡。急性IRI時，新生嚙齒動物心肌細胞中缺乏Mfn2將增加細胞的死亡數(shù)[21]，而在成年嚙齒動物心肌細胞中Mfn1或Mfn2的缺乏能降低mPTP的開放和細胞的死亡數(shù)[22]，但若同時缺乏Mfn1和Mfn2，將引起線粒體的片段化，致使線粒體的呼吸功能下降、心肌收縮功能的損傷，也將降低mPTP的開放和急性IRI后心肌細胞的梗死面積[23]。造成上述研究結果的原因是可能與Mfn2的多效性有關，在Mfn1和Mfn2雙缺失的DKO小鼠心肌中，Mfn2的缺失引起肌漿網(wǎng)和線粒體兩者之間的距離變遠，減少急性IRI后線粒體的鈣超載量，這在某種程度上有助于DKO小鼠表型的保護。這些研究提示我們在急性IRI時，急性抑制Mfn2可能是心肌保護的一種新策略。Chen等[24]研究半敲除OPA1（+/-）基因的小鼠心肌細胞，發(fā)現(xiàn)線粒體嵴異常和線粒體網(wǎng)絡組織紊亂，這將引起活性氧（reactive oxygen species，ROS）產(chǎn)物的增加和線粒體DNA的減少，最終致使線粒體功能障礙。關于H9c2細胞系的研究表明，在缺血環(huán)境的心肌細胞中發(fā)現(xiàn)OPA1表達明顯下降，產(chǎn)生片段化的線粒體[25]，且OPA1基因的部分敲除也能延遲mPTP開放，但其對心肌缺血再灌注損傷的影響還有待進一步探討[26]。綜上所述，線粒體融合與IRI之間的相互作用是相當復雜的，還需要更深入的分析。

32線粒體分裂與IRI：線粒體分裂引起線粒體能量代謝異常，促進心肌細胞的凋亡和自噬，致使心肌梗死后心室的重構。Wang等[27]研究發(fā)現(xiàn)，小鼠心肌細胞胞漿中Drpl蛋白水平及其磷酸化蛋白水平均降低，而線粒體外膜Drpl蛋白水平卻升高，這表明在IRI過程中，miR_499水平能影響細胞凋亡和心肌梗死的程度，其表達量下降引起鈣調磷酸酶的活化，促進Drp1的去磷酸化，產(chǎn)生片段化的線粒體。Ong等[28]在HL_1細胞系上的研究指出，采用mdivi_1抑制Drp1能增加心肌細胞中延長線粒體的比例，延遲mPTP開放，減少急性IRI誘導的細胞死亡并降低IRI導致的心肌梗死面積。諸多的研究證實，采用mdivi_1抑制Drp1易位至線粒體，能保護新生小鼠的心肌細胞與成年小鼠的心臟，表明在IRI時，抑制Drp1具有潛在的治療效果[29，30]。Pim_1屬于鈣調蛋白依賴性蛋白激酶家族，其基因表達能保護梗死后的心肌組織和細胞免于凋亡，且表達量的減少能增加因IRI而產(chǎn)生的心肌梗死面積[31]。Disatnik等[32]指出，P110是Drp1的一種特殊酞酶抑制劑，能在成年大鼠的再灌注時抑制線粒體分裂，降低心肌梗死的面積，防止心肌梗死后不良左心室的重構，改善線粒體能量代謝能力和缺血性損傷后的心臟功能。目前的研究指出，在急性IRI時，急性抑制線粒體分裂能達到保護心肌細胞的作用，而慢性抑制Drp1可能對心臟是不利的，這是由于線粒體分裂對清除受損的線粒體是必不可少的過程[33，34]。Ikeda等[35]很好地證明了當有條件性的敲除心臟特異的Drp1可以誘導線粒體的延長，抑制線粒體的自噬，增加細胞線粒體通透性轉換孔（mPTP）開放的易感性，引起心肌病并增加心肌梗死的面積。有研究表明[36]，miR_484可結合Fis1轉錄子的氨基酸編碼區(qū)以抑制Fis1的表達，從而抑制線粒體分裂，更重要的是，miR_484水平能影響線粒體的分裂，凋亡和心肌梗死程度。以上的研究表明，抑制線粒體分裂在IRI時可能是心肌保護的一種新的治療策略。

4結論與展望

線粒體在心肌的能量代謝中處于核心地位，在肌質網(wǎng)、肌絲及T管周圍形成復雜的網(wǎng)絡系統(tǒng)，這種特殊的空間架構使得線粒體與心肌肌絲運動所需的能量消耗、心肌細胞的興奮-收縮偶聯(lián)密切相關，若氧化呼吸鏈上的中間代謝產(chǎn)物出現(xiàn)異常，將打破線粒體的穩(wěn)態(tài)，并進一步影響多條氧化還原相關的信號通路。由此可見，線粒體能夠通過“牽一發(fā)而動全身”的效果影響著心肌細胞的功能。目前的研究普遍認為，心肌能量代謝障礙是心肌缺血再灌注損傷始發(fā)環(huán)節(jié)[4]。在IRI時，線粒體融合能最大限度地提高氧化磷酸化合成ATP的能力，有利于心肌細胞的保護，而抑制線粒體分裂能防止心肌細胞的凋亡和自噬。若選擇以線粒體融合、分裂作為靶向治療IRI時，有些問題仍需考慮，如Mfn2和OPA1的多效性，Mfn2是線粒體和內質網(wǎng)的代謝的橋梁，且對線粒體自噬是至關重要的；除了穩(wěn)定線粒體內膜的結構和嵴的重構，OPA1還能調控線粒體細胞色素C的釋放使其易于凋亡，并通過呼吸復合體促進線粒體能量的產(chǎn)生，這些作用可能比促進線粒體融合更為重要。值得注意的是，盡管急性抑制線粒體融合、分裂蛋白可能在心血管疾病中具有一定的治療效果，但是若慢性長期抑制線粒體融合、分裂蛋白可能對心肌細胞是不利的，具體的機制仍待進一步探索。

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（收稿日期：2017-8-31）endprint