線粒體過度裂分與心臟疾病的研究進(jìn)展

（中國藥科大學(xué) 江蘇 南京 211198）

魯一桐 齊煉文（通訊作者）

線粒體是一種復(fù)雜的雙層膜細(xì)胞器，由線粒體外膜、線粒體內(nèi)膜、膜間質(zhì)、基質(zhì)組成。線粒體基質(zhì)中含有代謝酶、線粒體DNA和RNA。線粒體外膜隔絕膜間隙與胞質(zhì)，使胞質(zhì)中分子量大于1500Da的分子不可透過。線粒體膜間隙含有不同種蛋白，如細(xì)胞色素C。心肌細(xì)胞的線粒體體積大概占整個(gè)細(xì)胞體積的三分之一，并且決定著細(xì)胞的存活和死亡，心臟每天產(chǎn)生30千克三磷酸腺苷，來維持正常收縮功能。[1]

線粒體是處于高度運(yùn)動(dòng)的細(xì)胞器，能通過不斷地融合和裂分呈現(xiàn)不同的形狀。線粒體形狀改變及移動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程稱為線粒體動(dòng)力學(xué)。線粒體的形態(tài)通常呈長條形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，也可以分裂成離散的短管狀，通過線粒體裂分蛋白和融合蛋白的共同作用實(shí)現(xiàn)，對保持線粒體正常網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)至關(guān)重要?，F(xiàn)階段研究認(rèn)為：哺乳動(dòng)物的線粒體融合過程主要是由融合蛋白1（mitofusin1,Mfn1），融合蛋白2（mitofusin2,Mfn2），視神經(jīng)萎縮癥蛋白1（opticatrophy1,OPA1）介導(dǎo)的，線粒體融合功能缺失會(huì)對細(xì)胞關(guān)鍵功能造成巨大損傷，出現(xiàn)生長緩慢、呼吸功能受損、膜電位喪失等現(xiàn)象。[2]線粒體裂分能確保細(xì)胞分裂過程中線粒體數(shù)量平均分配，并通過自噬選擇性地清除受損的線粒體。[1]動(dòng)力相關(guān)蛋白（dynamin-related protein 1,Drp1）是線粒體裂分中的關(guān)鍵蛋白，很多研究表明線粒體裂分是一個(gè)多步驟的裝配過程，早期關(guān)鍵步驟是Drp1招募至線粒體外膜，與錨定在線粒體外膜的Drp1受體蛋白裂變蛋白1（fission protein-1,Fis1），線粒體分裂因子（mitochondrial fission factor,MFF），線粒體動(dòng)力學(xué)蛋白（mitochondrial dynamics proteins of 49 and 51 kDa,MiD49/51）結(jié)合。其中MFF被認(rèn)為是線粒體上最主要的Drp1受體，能促進(jìn)Drp1的裝配，其過表達(dá)誘導(dǎo)Drp1招募和線粒體裂分，而其敲減使得線粒體形態(tài)延長。[3,4]

Drp1從胞質(zhì)招募到線粒體的過程由Drp1翻譯后修飾調(diào)控，最常見的是磷酸化修飾。有文獻(xiàn)報(bào)道：Rho關(guān)聯(lián)含卷曲螺旋蛋白激酶（Rho associated coiled-coil containing protein kinase 1,ROCK1）使Drp1絲氨酸600位點(diǎn)（小鼠Drp1異構(gòu)體b）磷酸化，使其招募至線粒體；[5]蛋白激酶A（protein kinase A,PKA）使Drp1絲氨酸637位點(diǎn)磷酸化，抑制其GTP酶活性，顯著抑制線粒體裂分；[6]電壓依賴的Ca2+通道相關(guān)的Ca2+信號(hào)激活Ca2+/CaM依賴性蛋白激酶（Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase,CaMKI），使Drp1絲氨酸600位點(diǎn)發(fā)生磷酸化，增加Drp1的線粒體轉(zhuǎn)位。[7]與之相反，一種關(guān)鍵的有絲分裂激酶Cdk1/cyclin B使Drp1絲氨酸616位點(diǎn)磷酸化，促進(jìn)細(xì)胞分裂期的線粒體裂分。[8]胞質(zhì)中鈣離子濃度高時(shí)，線粒體去極化，激活胞質(zhì)中的磷酸酶鈣調(diào)磷酸酶，使Drp1絲氨酸637位點(diǎn)去磷酸化，誘導(dǎo)去極化的線粒體發(fā)生裂分。[9]腎小管細(xì)胞的ATP耗竭時(shí)，鈣調(diào)磷酸酶介導(dǎo)的Drp1絲氨酸637位點(diǎn)去磷酸化使Drp1激活。[10]

線粒體不僅是重要的能量中心，并且廣泛參與到心血管疾病病理進(jìn)程中。心力衰竭發(fā)生時(shí)，可觀察到線粒體結(jié)構(gòu)功能的擾亂，出現(xiàn)過多的小碎片狀的線粒體，被認(rèn)為是Drp1的功能亢進(jìn)而Mfn2功能減弱。提示研究者們可利用藥理活性制劑通過調(diào)控病理狀態(tài)下線粒體融合與分裂的平衡來恢復(fù)正常的線粒體結(jié)構(gòu)和功能。[11]缺血性心臟病是最常見的心臟病類型，表現(xiàn)為供血的冠狀動(dòng)脈由于斑塊形成而狹窄，從而減少了心臟的血流和供氧，可導(dǎo)致急性或慢性心衰。2012年數(shù)據(jù)顯示：缺血性心臟病致死率位居全球第一。缺血后的組織在恢復(fù)血流供應(yīng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)缺血再灌注損傷缺，主要是由于鈣超載，活性氧爆發(fā)等因素造成，會(huì)導(dǎo)致心肌梗死面積增加、收縮功能障礙加重、心律失常等，造成心肌細(xì)胞不可逆損傷甚至死亡。線粒體裂分能確保細(xì)胞分裂過程中線粒體數(shù)量平均分配，并通過自噬選擇性地清除受損及老化的線粒體，[1]然而過度的線粒體裂分卻會(huì)導(dǎo)致缺血再灌注損傷和心衰。在許多心肌疾病發(fā)生時(shí)，線粒體都會(huì)表現(xiàn)出過度裂分。線粒體過度分裂抑制細(xì)胞呼吸鏈，使氧自由基生成增多、ATP合成減少，導(dǎo)致細(xì)胞功能障礙。[12]有學(xué)者發(fā)現(xiàn)：缺血再灌注大鼠心臟再灌注階段出現(xiàn)的線粒體過度裂分會(huì)導(dǎo)致長期的心肌功能紊亂，而在再灌注階段抑制線粒體過度裂分則能恢復(fù)心肌組織完整性和正常功能，進(jìn)而保護(hù)心臟。[13]Drp1藥理活性抑制劑通過恢復(fù)線粒體正常形態(tài)來減輕再灌注損傷，抑制線粒體膜孔道開放，減少心肌細(xì)胞梗死面積。表明調(diào)節(jié)線粒體形態(tài)可能是心臟保護(hù)的新靶點(diǎn)。[14]利用腺病毒使Drp1功能喪失，可顯著減少缺血再灌注造成的心肌梗死面積和細(xì)胞死亡，恢復(fù)心肌功能。Drp1被強(qiáng)烈抑制后，線粒體耗氧量明顯減少，細(xì)胞內(nèi)ATP水平幾乎不減少，證明可通過減少線粒體代謝發(fā)揮心肌保護(hù)作用。[11]諸多研究表明，調(diào)控線粒體正常形態(tài)可能是保護(hù)缺血再灌注心臟的潛在靶點(diǎn)。

[1] Sang-Bing Ong,Siavash Beikoghli Kalkhoran,Hector A.Cabrera-Fuentes,et al.Mitochondrial fusion and fission proteins as novel therapeutic targets for treating cardiovascular disease[J].Eur J Pharmacol,2015,763:104-114.

[2] Hsiuchen Chen,Anne Chomyn,David C.Chan.Disruption of Fusion Results in Mitochondrial Heterogeneity and Dysfunction[J].J Biol Chem. 2005,28:26185-26192.

[3] Otera H,Wang C,Cleland MM,et al.Mff is an essential factor for mitochondrial recruitment of Drp1 during mitochondrial fission in mammalian cells[J].J Cell Biol,2010, 191:1141-1158.

[4] Gandre-Babbe S,van der Bliek AM.The novel tailanchored membrane protein Mff controls mitochondrial and peroxisomal fission in mammalian cells[J].Mol Biol Cell,2008,19:2402-2412.

[5] Wenjian Wang,Yin Wang,Jianyin Long,et al.Mitochondrial Fission Triggered by Hyperglycemia Is Mediated by ROCK1 Activation in Podocytes and Endothelial Cells[J].Cell Metab,2012,15:186-200.

[6] Chuang-Rung Chang,Craig Blackstone. Cyclic AMP-dependent Protein Kinase Phosphorylation of Drp1 Regulates Its GTPaseActivity and Mitochondrial Morphology[J].J Biol Chem., 2007,30:21583-21587.

[7] CaM kinase Iα–induced phosphorylation of Drp1 regulates mitochondrial morphology[J].J.Cell Biol.2008,3:573-585.

[8] Alessandro Pagliuso,Pascale Cossar,Fabrizia Stavru.The ever-growing complexity of the mitochondrial fission machinery[J].Cell. Mol. Life Sci. 2018, 75:355-374.

[9] G. M.Cereghetti,A.Stangherlin,O.Martins de Brito,et al.Dephosphorylation by calcineurin regulates translocation of Drp1 to mitochondria[J].PNAS,2008, 41:15803-15808.

[10] Sung-Gyu Cho, Quansheng Du,Shuang Huang,et al.Drp1 dephosphorylation in ATP depletion-induced mitochondrial injury and tubular cell apoptosis[J].Am J Physiol Renal Physiol,2010,299:F199-F206.

[11] Srikanth Givvimani, Sathnur Pushpakumar,Sudhakar Veeranki,et al.Dysregulation of Mfn2 and Drp-1 proteins in heart failure[J].Can J Physiol Pharmacol.2014,92:583-591.

[12] 阿力木江·買買提江，施海明.線粒體動(dòng)力學(xué)與心肌細(xì)胞能量代謝的研究進(jìn)展[J].復(fù)旦學(xué)報(bào)（醫(yī)學(xué)版），2013，40（5）：625-628.

[13] Marie-Helene Disatnik,Julio C.B.Ferreira,Juliane Cruz Campos,et al.Acute Inhibition of Excessive Mitochondrial Fission After Myocardial Infarction Prevents Long-term Cardiac Dysfunction[J].J Am Heart Assoc.2013,2:e000461.

[14] Sang-Bing Ong,Sapna Subrayan,Shiang Y.Lim, et al.Inhibiting Mitochondrial Fission Protects the Heart Against Ischemia/Reperfusion Injury[J].Circulation.2010,121:2012-2022.