線(xiàn)粒體動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展

黃 健，姜小凡，葉莉斯 綜述,林冬靜，田洪艷審校

(吉林醫(yī)藥學(xué)院:1.2015級(jí)臨床教改班,2.2016級(jí)臨床教改班,3.組胚教研室,吉林 吉林 132013)

線(xiàn)粒體在細(xì)胞內(nèi)表現(xiàn)為一個(gè)高度動(dòng)態(tài)的細(xì)胞器，通過(guò)不斷地分裂與融合來(lái)保持線(xiàn)粒體穩(wěn)態(tài)，即線(xiàn)粒體動(dòng)力學(xué)。線(xiàn)粒體與線(xiàn)粒體互相緊密連接，呈網(wǎng)狀，稱(chēng)為線(xiàn)粒體網(wǎng)[1]。線(xiàn)粒體不只是細(xì)胞內(nèi)的主要產(chǎn)能細(xì)胞器，還能調(diào)節(jié)活性氧的生成,自由基的產(chǎn)生,通過(guò)細(xì)胞氧化應(yīng)激引起外周組織胰島素抵抗[2]。

1 線(xiàn)粒體動(dòng)力學(xué)分子機(jī)制

1.1 線(xiàn)粒體融合

首先，相鄰2個(gè)線(xiàn)粒體找到融合的最佳位點(diǎn)，然后進(jìn)行外膜融合，這依賴(lài)位于線(xiàn)粒體外膜上的線(xiàn)粒體外膜融合蛋白1(Mitochondria 1，Mfn1)和Mfn2。由于Mfn1/2位于線(xiàn)粒體外膜，跨膜區(qū)面向胞質(zhì)，Mfn2上疏水區(qū)2(hydrophobic region 2，HR2)介導(dǎo)相鄰2個(gè)線(xiàn)粒體外膜上的Mfn1/2相互連接形成同源二聚體和異源二聚體，Mfn1/2上的GTP 酶結(jié)構(gòu)域調(diào)整HR2的結(jié)構(gòu)，最終使線(xiàn)粒體的外膜融合。值得注意的是Mfn1的GTP酶水解活性遠(yuǎn)大于Mfn2，是否提示Mfn1的融合功能強(qiáng)于Mfn2。位于線(xiàn)粒體內(nèi)膜的視神經(jīng)萎縮蛋白(optic atrophy 1，OPA1)則參與了線(xiàn)粒體內(nèi)膜的融合、線(xiàn)粒體嵴的形成和線(xiàn)粒體的能量代謝，并且OPA1在線(xiàn)粒體融合的作用中依賴(lài)Mfn1，Mfn2依賴(lài)OPA1[3]。

1.2 線(xiàn)粒體分裂

首先線(xiàn)粒體外膜分子線(xiàn)粒體分裂蛋白1(mitofission 1，F(xiàn)is1)上的TRP介導(dǎo)胞漿中動(dòng)力相關(guān)蛋白1(dynamin-related protein 1，Drp1)轉(zhuǎn)位至線(xiàn)粒體外膜，Drp1在線(xiàn)粒體分裂位點(diǎn)聚集形成“套鎖”結(jié)構(gòu)后與Fis1結(jié)合并形成復(fù)合體，并通過(guò)水解GTP改變分子間的距離或角度，逐漸壓縮直至線(xiàn)粒體斷裂，產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立的線(xiàn)粒體[4]。當(dāng)線(xiàn)粒體分裂完成后Drp1磷酸化脫落至胞質(zhì)中。研究發(fā)現(xiàn)，與G蛋白偶聯(lián)的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑上游調(diào)控蛋白激酶 A(protein kinase A，PKA) 或鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶(calcineurin，CaN) 可被其鄰近的支架招募，PKA通過(guò)磷酸化Drp1 656位絲氨酸殘基介導(dǎo)Drp1磷酸化后從外膜轉(zhuǎn)位至胞漿，然后降解失活。CaN功能相反，通過(guò)使該位點(diǎn)去磷酸化來(lái)維持 Drp1的分裂功能[5-6]。

2 線(xiàn)粒體動(dòng)力學(xué)與疾病

2.1 線(xiàn)粒體動(dòng)力學(xué)與糖尿病

線(xiàn)粒體動(dòng)力學(xué)紊亂引起胰島β細(xì)胞功能障礙和胰島素抵抗，從而誘發(fā)糖尿病。通過(guò)線(xiàn)粒體動(dòng)力學(xué)失衡使細(xì)胞內(nèi)線(xiàn)粒體氧化磷酸化水平下降，質(zhì)子外流，線(xiàn)粒體膜電位下降，活性氧生成增加,此時(shí)細(xì)胞處于氧化應(yīng)激狀態(tài)。應(yīng)激反應(yīng)導(dǎo)致的致炎作用使得胰島素信號(hào)通路的敏感性降低[7]。主要有以下兩種途徑：第一種是Mfn2的表達(dá)水平影響胰島素信號(hào)通路[8]，有研究發(fā)現(xiàn)在肝中Mfn2表達(dá)水平低的個(gè)體更易于出現(xiàn)胰島素抵抗[9]。第二種是Drp1的表達(dá)水平影響胰島素抵抗，有研究發(fā)現(xiàn)在高胰島素血癥小鼠模型中，線(xiàn)粒體Drp1含量明顯增加。據(jù)報(bào)道抑制線(xiàn)粒體分裂可以改善肥胖引起的骨骼肌胰島素抵抗。

通過(guò)對(duì)糖尿病或糖耐量減退者進(jìn)行肌活檢發(fā)現(xiàn),肌細(xì)胞內(nèi)線(xiàn)粒體缺失明顯高于非糖尿病患者，并且缺失數(shù)量多，大小類(lèi)型不同。對(duì)糖尿病患者的骨骼肌進(jìn)行檢查后發(fā)現(xiàn)線(xiàn)粒體氧化磷酸化水平降低[10]。電鏡下觀(guān)察糖尿病及肥胖患者的胰島β細(xì)胞線(xiàn)粒體形態(tài)，發(fā)現(xiàn)其線(xiàn)粒體形態(tài)學(xué)異常，表現(xiàn)為線(xiàn)粒體呈碎片狀,線(xiàn)粒體嵴形態(tài)破壞,體積、數(shù)目明顯低于正常人。這更加直觀(guān)體現(xiàn)了在胰島素抵抗?fàn)顟B(tài)下，線(xiàn)粒體分裂融合動(dòng)力學(xué)失衡[7]。這可能是由于線(xiàn)粒體分裂增加或融合降低引起的線(xiàn)粒體碎片化。所以線(xiàn)粒體動(dòng)力學(xué)與糖尿病的發(fā)生發(fā)展有著緊密聯(lián)系。因此推測(cè)在任何情況下引起的線(xiàn)粒體動(dòng)力學(xué)失衡均可導(dǎo)致β細(xì)胞功能障礙，表現(xiàn)為胰島素分泌減少、β細(xì)胞衰竭，最終β細(xì)胞凋亡誘發(fā)糖尿病發(fā)生。所以調(diào)節(jié)Mfn2、Opa1等相關(guān)線(xiàn)粒體動(dòng)力學(xué)蛋白來(lái)維持線(xiàn)粒體動(dòng)力學(xué)的平衡,是改善胰島β細(xì)胞功能的有效途徑之一。

2.2 線(xiàn)粒體動(dòng)力學(xué)與心血管系統(tǒng)

當(dāng)血管內(nèi)皮細(xì)胞(vascular endothelial cell，VEC)受到氧化應(yīng)激刺激時(shí)，VEC線(xiàn)粒體形態(tài)學(xué)異常，表現(xiàn)為線(xiàn)粒體分裂增加、線(xiàn)粒體結(jié)構(gòu)異常、線(xiàn)粒體活性氧產(chǎn)生增加、自由基增多、氧化磷酸化水平降低和VEC功能障礙。有研究發(fā)現(xiàn)干擾線(xiàn)粒體分裂作用與心肌缺血/再灌注損傷有關(guān)。在心肌缺血/再灌注損傷的動(dòng)物模型中，抑制心肌細(xì)胞Drp1表達(dá)減少心肌梗死面積從而起到保護(hù)心肌的作用[11]。據(jù)報(bào)道在心衰中Mfn2及Drp1表達(dá)發(fā)生了顯著性降低。通過(guò)干預(yù)線(xiàn)粒體融合與分裂相關(guān)蛋白影響線(xiàn)粒體動(dòng)力學(xué)，進(jìn)而破壞VEC正常生理功能，誘導(dǎo)許多心血管疾病的產(chǎn)生[12]。

2.3 線(xiàn)粒體動(dòng)力學(xué)與炎癥

線(xiàn)粒體動(dòng)力學(xué)失衡導(dǎo)致線(xiàn)粒體內(nèi)活性氧產(chǎn)生增加，活性氧具有誘導(dǎo)Drp1活化使線(xiàn)粒體碎片化的作用，而加入活性氧清除劑后則可以阻止這一過(guò)程。最近研究發(fā)現(xiàn)在小神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中加入動(dòng)力學(xué)相關(guān)蛋白1抑制劑Mdivi-1或敲除 Drp1后抑制活性氧產(chǎn)生[13]，提示Drp1影響活性氧的生成。此外活性氧還可以導(dǎo)致OPA1同工型和細(xì)胞色素C從線(xiàn)粒體中釋放至細(xì)胞質(zhì)，細(xì)胞凋亡減少，線(xiàn)粒體和細(xì)胞形態(tài)穩(wěn)定性增加[14-15]。在非酒精性脂肪肝細(xì)胞上進(jìn)行Mfn2基因轉(zhuǎn)染后發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)活性氧產(chǎn)生降低和氧化磷酸化水平增加[16]。因此推測(cè)Mfn2影響活性氧的生成。有研究[17]發(fā)現(xiàn)白介素-6(interleukin6，IL-6)通過(guò)上調(diào)Fis1表達(dá)和下調(diào)PGC-1ɑ來(lái)減少線(xiàn)粒體Mfn2蛋白的表達(dá)使得線(xiàn)粒體動(dòng)力學(xué)平衡偏向分裂。研究[18]發(fā)現(xiàn)人肺腺癌A549細(xì)胞在IL-8作用下遷移率增加，促進(jìn)Mfn蛋白表達(dá)水平增加，Drp1表達(dá)略增加，OPA1表達(dá)水平下降，而OPA1影響線(xiàn)粒體內(nèi)膜融合，出現(xiàn)線(xiàn)粒體自噬現(xiàn)象。據(jù)報(bào)道[19]在腫瘤壞死因子ɑ(tumor necrosis factor ɑ，TNF-ɑ)的作用下的脂肪細(xì)胞3T3-L1，線(xiàn)粒體形態(tài)異常，Mfn2增加，Drp1顯著增加。然而，有研究發(fā)現(xiàn)在胰島β細(xì)胞中TNF-ɑ可以激活核因子κB(nuclear factor-κB,NF-κB)，激活后的NF-KB使OPA1表達(dá)增加，促進(jìn)線(xiàn)粒體的融合，提高線(xiàn)粒體氧化磷酸化水平，ATP生成增加，從而滿(mǎn)足線(xiàn)粒體融合的能量需求[20-21]。為避免線(xiàn)粒體總量減少達(dá)到臨界，TNF-α-NF-κB-OPA1 途徑是顯著必要的，通過(guò)增加融合蛋白和增進(jìn)線(xiàn)粒體脊結(jié)構(gòu)，呼吸鏈的高效來(lái)再平衡系統(tǒng)

3 總結(jié)與展望

線(xiàn)粒體動(dòng)力學(xué)參與了細(xì)胞內(nèi)能量代謝、線(xiàn)粒體形態(tài)學(xué)、自噬、凋亡等許多生理過(guò)程。雖然有大量關(guān)于線(xiàn)粒體動(dòng)力學(xué)在疾病中的作用機(jī)制的研究，但受限于疾病本身的機(jī)制不明和線(xiàn)粒體動(dòng)力學(xué)的研究局限性，還需要進(jìn)一步深入研究去驗(yàn)證。