線粒體融合-分裂與心力衰竭

胡 歡，李 萍，程曉曙

(南昌大學第二附屬醫(yī)院 心血管內科， 江西 南昌 330006)

心力衰竭(heart failure,HF)是一種復雜的臨床綜合征，是各種心臟疾病的終末嚴重階段。近年來，國內外學者開展了大量有關HF的臨床和研究工作，治療HF的新藥物的研發(fā)也有了較大的進展，然而心力衰竭的發(fā)病率和病死率仍然居高不下。因此，為更有效地治療心力衰竭患者，改善預后，提高心力衰竭患者的生存率，尋找治療心力衰竭新的切入點尤為關鍵。

線粒體對于人體心肌的發(fā)育和生長是必需的[1]，線粒體氧化磷酸化產生的ATP占體內ATP產生總量的90%，為心肌細胞的收縮與舒張?zhí)峁┠芰?。線粒體是細胞的能量工廠， 并精密調控細胞的

多種生理功能，例活性氧(ROS)，信號傳導，Ca2+穩(wěn)態(tài)以及細胞死亡過程的調節(jié)等。線粒體功能失調參與了多種心血管疾病的發(fā)病機制，例如心律失常[2]、心肌缺血[3]、心肌病[4]以及終末期的心力衰竭(HF)[5]。

線粒體是動態(tài)細胞器，有兩種高度相對的調節(jié)過程：融合和分裂。線粒體發(fā)生融合時會形成相互連接的線粒體網(wǎng)，有利于線粒體DNA的遺傳，并對維持細胞的新陳代謝有重要作用[6]。而線粒體發(fā)生分裂時產生分散細小的細胞器，在有絲分裂過程中及線粒體分裂的發(fā)生及細胞周期進程中尤為重要[7]。在哺乳動物心肌中，調節(jié)線粒體動力學的蛋白質表達很高，當心肌中這些蛋白的表達發(fā)生變化時，對心臟產生不良的影響，研究發(fā)現(xiàn)特異性基因敲除心肌線粒體動力蛋白1(dynamin-related protein 1,Drp1)可引起嚴重的心肌細胞壞死，選擇性敲除線粒體融合蛋白時會出現(xiàn)不良的心肌重構[8]。因此，線粒體融合-分裂平衡可能對心臟的發(fā)育、Ca2+的信號傳導、線粒體特性的維持及細胞死亡起著重要作用。現(xiàn)將線粒體融合-分裂在心力衰竭中的可能機制以及其潛在的治療靶點作簡要綜述。

1 線粒體融合

線粒體融合主要由線粒體融合蛋白(mitofusin1，Mfn1和mitofusin2，Mfn2)及視神經(jīng)萎縮蛋白1(optic atrophy1，OPA1)調節(jié)。Mfn1和Mfn2有相似的分子結構：N末端有GTP酶結構域、七肽重復序列1(HR1)，兩個跨膜區(qū)域和C末端的七肽重復序列2(HR2)。Mfn1和Mfn2的跨膜區(qū)域嵌入線粒體的外膜中，而HR1和HR2則伸入細胞質中，OPA1則定位于線粒體內膜上以及內外膜間隙。

線粒體發(fā)生融合主要有3步：線粒體外膜的接合、線粒體外膜的融合和線粒體內膜的融合。首先，鄰近線粒體融合蛋白的HR2相互作用形成同源二聚體(Mfn1-Mfn1或Mfn2-Mfn2)或者更強有力的異二聚體(Mfn1-Mfn2)，從而捆綁住相互靠近的線粒體[9]。最開始的接合使兩個線粒體的外膜緊密結合從而啟動線粒體外膜的融合，線粒體外膜融合后，OPA1接著調節(jié)線粒體內膜的融合。線粒體外膜和內膜融合的過程，其內在的調節(jié)機制復雜，有待進一步探究。

2 線粒體分裂

線粒體分裂主要受線粒體動力蛋白1(dynamin-related protein1,Drp1)調控，Drp1是動力蛋白家族GTP酶，由一個GTP酶結構域、中間結構域和一個C端GTP酶效應器組成。Drp1是一種胞質蛋白，能被其受體蛋白線粒體外膜蛋白(mitochondrial fission 1 protein,Fis1和mitochondrial fission factor,Mff)及線粒體動力蛋白(mitochondrial dynamics proteins of 49 and 51 ku,MiD49/MiD51)募集到線粒體從而促進線粒體的分裂[10]。

線粒體分裂過程中，胞質蛋白Drp1寡聚物在線粒體周圍聚合形成螺旋結構，并且形成裂變點進而發(fā)揮分離線粒體的作用。目前，F(xiàn)is1、Mff和MiD49/51在線粒體分裂過程中所扮演的具體角色并不十分明確，其可能作為相互間獨立的Drp1的適配器而發(fā)揮作用[11]。許多學者還發(fā)現(xiàn)線粒體蛋白MTP18、神經(jīng)節(jié)苷脂誘導分化相關蛋白1(GDAP1)、胞吞蛋白B1(EndoB1)和富含亮氨酸的重復蛋白激酶2(leucine-rich repeat kinase 2,LRRK2)等可能參與線粒體的分裂，其在線粒體分裂過程中的具體角色尚待探究。

3 線粒體融合-分裂平衡的調節(jié)

線粒體融合-分裂平衡的精密調控有助于線粒體發(fā)揮其正常功能，過氧化物酶體增殖物激活受體γ的共激活劑1α(PGC- 1α)是線粒體生物合成的關鍵調節(jié)因子之一，當機體能量需求增加時，它可以上調Mfn2的表達以應對這種變化。在研究肺動脈高壓大鼠及患者時發(fā)現(xiàn)Mfn2表達水平的下降與PGC- 1α水平的下調相關[12]，這可能加快了心力衰竭的發(fā)展。此外，PTEN誘導的假定激酶1(PTEN induced putative kinase 1)能選擇性集聚功能失常的線粒體，使Mfn2在Thr111和Ser442位置發(fā)生磷酸化，損傷線粒體導致線粒體自噬的發(fā)生[13]。

已廣泛研究Drp1的磷酸化調節(jié)，細胞周期蛋白激酶(cyclin-dependent kinases1,CDK1)能使Drp1在Ser616發(fā)生磷酸化從而使Drp1定位到線粒體上，進而刺激線粒體的分裂。心肌細胞在缺氧復氧情況下，CDK1和鈣調磷酸酶可上調Drp1，加速線粒體分裂引起心肌細胞壞死，而抑制CDK1可以減輕Ser616磷酸化水平，減輕心肌壞死的程度[14]。也有研究發(fā)現(xiàn)CDK1和c-AMP依賴的蛋白激酶A(protein kinase A,PKA)能使人的Drp1在Ser637位置發(fā)生磷酸化，導致Drp1的GTP酶活性受到抑制，最終導致線粒體分裂的水平減輕。Drp- 1的磷酸化似乎有不同的結果發(fā)生，其原因有待進一步研究。

4 線粒體融合-分裂和心力衰竭

線粒體的數(shù)量、結構和功能受到不同過程的調節(jié)，如線粒體融合、分裂及自噬。調節(jié)線粒體的這些過程發(fā)生異常是心力衰竭的發(fā)病環(huán)節(jié)[15]。在小鼠OPA1表達失調及線粒體分裂能引起心力衰竭[16],而過表達OPA1引起的線粒體融合，并不會對缺氧導致的H9C2細胞死亡產生保護作用。因此，視神經(jīng)萎縮蛋白1(OPA1)對心力衰竭的作用機制仍需進一步研究。Drp1是治療各種疾病的潛在靶點，包括心力衰竭。研究糖尿病小鼠心肌缺血再灌注模型時發(fā)現(xiàn)抑制Drp1能對缺血再灌注過程起到保護作用[17]，因此，抑制Drp1可能減緩心力衰竭的發(fā)展。本課題組研究發(fā)現(xiàn)，在鹽酸異丙腎上腺素誘導的大鼠心力衰竭進程中，線粒體解偶聯(lián)蛋白2(uncoupling proteins 2, UCP2)的表達升高，其可能參與了心力衰竭的發(fā)生發(fā)展過程。UCP2與線粒體融合-分裂密切相關，其可能通過影響線粒體融合-分裂平衡參與心力衰竭的進展[18]。

線粒體融合-分裂參與了細胞凋亡過程，線粒體的碎裂能引起促凋亡因子，如細胞色素C，核酸內切酶G等的釋放從而誘導細胞發(fā)生凋亡，而細胞凋亡與心力衰竭的發(fā)生發(fā)展密切相關。在HL-1小鼠心肌細胞的缺氧復氧模型中發(fā)現(xiàn)預處理Drp1抑制劑能減輕心肌細胞凋亡，對心肌細胞起保護作用[19]。線粒體融合蛋白2(Mitofusin2,Mfn2)同樣參與了心肌細胞凋亡的過程，當心肌發(fā)生氧化應激、缺血再灌注損傷或者心肌梗死時，Mfn2的表達水平明顯上升。在低氧誘導的肺動脈高壓模型中，心肌細胞過表達Mfn2可使Akt信號減弱，促進線粒體介導的凋亡途徑[20]。和Mfn2促凋亡的作用類似，Mfn2-/-小鼠比正常小鼠在心肌缺血再灌注損傷后恢復更好[21]，基因敲除Mfn2后起著抗凋亡的作用，可能的原因是Mfn2不僅定位在線粒體上，也定位在內質網(wǎng)膜上。定位在內質網(wǎng)上的Mfn2也許有助于Ca2+從內質網(wǎng)流向連接的線粒體，而敲除Mfn2后能減輕線粒體的Ca2+超載從而對心肌起保護作用。有趣的是，有研究也證實了Mfn2的抗凋亡作用，在神經(jīng)酰胺誘導心肌細胞凋亡過程中，上調Mfn2的表達抑制了心肌細胞的細胞色素C的釋放，也發(fā)現(xiàn)上調Mfn2的表達能減輕香煙誘導的支氣管上皮細胞凋亡[22]。因此，Mfn2在心肌細胞凋亡中的作用及影響心力衰竭的機制有待進一步研究。

心力衰竭患者的心肌細胞中，線粒體數(shù)目增多，尺寸變小，這與線粒體自噬水平的不足有關。Mfn2和Drp1都參與了線粒體的自噬過程[23]，線粒體自噬水平不足可引起心肌細胞穩(wěn)態(tài)失衡，最終引起心力衰竭。線粒體分裂-融合平衡是線粒體發(fā)揮正常生理功能的關鍵因素，不僅參與維持線粒體DNA的穩(wěn)定，也涉及能量合成及細胞衰老等重要的生命過程，線粒體功能是治療心力衰竭的有效靶點，這已經(jīng)達成了專家共識[24]。因此，在心力衰竭研究中，全面深刻地理解線粒體分裂-融合失衡在其中所扮演的角色，對心力衰竭的治療有重要意義。

5 展望

線粒體融合-分裂的穩(wěn)態(tài)對維持正常的心臟功能有重要作用，心力衰竭的發(fā)生與線粒體分裂-融合失衡密切相關，因此，重建線粒體融合-分裂的平衡成為治療心力衰竭的潛在靶點，藥物靶向治療參與線粒體融合-分裂的組件使線粒體功能獲得一個更好的狀態(tài)，這也許是一種新的針對心力衰竭的治療方法。目前，對線粒體融合分裂的具體調控機制仍不清晰，而心力衰竭發(fā)生發(fā)展的分子機制同樣復雜，今后的研究重點應將二者結合在一起，進一步探究線粒體融合分裂相關調節(jié)蛋白在心力衰竭發(fā)病機制中的作用，為心力衰竭的臨床治療提供理論依據(jù)。

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