MCU 及復合物與人類相關疾病的研究進展

趙楊，王培，楊穎 綜述，習瑾昆，賀永貴 審校

（1.華北理工大學基礎醫(yī)學院，河北省慢性疾病基礎醫(yī)學重點實驗室，唐山 063000；2.華北理工大學公共衛(wèi)生學院，唐山 063000；3.華北理工大學臨床醫(yī)學院，河北省醫(yī)工融合精準醫(yī)療重點實驗室，唐山 063000）

線粒體是（ATP）生成的重要場所，也是細胞Ca2+信號傳遞的積極參與者，它可以通過緩沖作用來維持細胞內(nèi)Ca2+水平，當胞質(zhì)內(nèi)Ca2+濃度升高時，線粒體有效地吸收Ca2+，以維持胞質(zhì)內(nèi)Ca2+濃度平衡，這種線粒體Ca2+吸收機制是由高選擇性的線粒體鈣離子單向轉(zhuǎn)運蛋白（mitochondrial calcium uniporter，MCU）及其復合物介導的[1]。MCU 功能受損，導致線粒體Ca2+超載，觸發(fā)細胞色素C 釋放，活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）過度產(chǎn)生，線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔 （mitochondrial permeability transition pore，mPTP）開放，線粒體腫脹，最終導致細胞凋亡[2]。MCU及其復合物在疾病的發(fā)展過程中具有關鍵作用。因此，探究其作用與功能可能成為多種疾病治療的重要靶點之一，文中回顧了MCU 及MCU 復合物的功能，以及在不同疾病中的作用，以期為以后多種疾病的治療策略提供參考。

1 MCU

MCU 是重要的Ca2+轉(zhuǎn)運蛋白，在大多數(shù)真核生物中表達，在細菌基因組中也可檢測到MCU 同源物。MCU 蛋白由兩個跨膜螺旋與一個含酸性殘基的短環(huán)相連，MCU 是較大的MCU 復合物中的中心Ca2+轉(zhuǎn)運通道，MCU 有助于線粒體Ca2+的吸收，以應對細胞內(nèi)Ca2+的小幅度生理性升高和線粒體外Ca2+的大幅度升高[3]。MCU 單向轉(zhuǎn)運Ca2+的作用在不同系統(tǒng)中得到了證實[4-6]，研究顯示，沉默MCU 可以抑制肝細胞線粒體Ca2+的吸收[4]，新生大鼠心肌細胞[5]、神經(jīng)元[6]中沉默MCU 也有類似的現(xiàn)象。這證實了MCU 是Ca2+急性涌入線粒體基質(zhì)所必要的蛋白。

2 MCU 復合物

生理情況下，MCU 并非單獨發(fā)揮功能，它與其他蛋白分子結合，構成線粒體Ca2+轉(zhuǎn)運體復合物，從而共同參與線粒體Ca2+的轉(zhuǎn)運。線粒體Ca2+單向轉(zhuǎn)運蛋白復合體由核心通道蛋白MCU、線粒體鈣攝入蛋白（mitochondrial calcium uptake，MICU）、線粒體負性孔隙形成亞基（MCU regulatory subunit b，MCUb）以及其他線粒體鈣單向轉(zhuǎn)運體調(diào)節(jié)蛋白（essential mitochondrial calcium uniporter tegulator，EMRE）共同組成[7]。圖1 為MCU 復合物示意圖。

圖1 MCU 復合物示意圖

2.1 MICU 家族 包括MICU1 和MICU2 兩個同源蛋白，其分子量為45～55 KD。MICU1 蛋白位于線粒體內(nèi)膜（inner mitochondrial membrane，IMM），而與Ca2+結合的兩個EF 臂結構面向線粒體膜間隙（intermembrane space，IMS）。研究顯示，與Ca2+結合的EF 臂為MCU 通道活性調(diào)節(jié)器，當細胞內(nèi)Ca2+濃度下降，MICU1 使MCU 處于關閉狀態(tài)，防止Ca2+流入線粒體基質(zhì)；當Ca2+濃度增加，MICU1 的EF 臂結構誘導MCU 開放，使Ca2+流入線粒體基質(zhì)。因此，MICU1 發(fā)揮“守門員”的作用[8]。MICU2 蛋白位于IMS，廣泛分布于內(nèi)臟器官[9]。研究表明，MICU1、MICU2 與MCU 三者之間相互作用[8]，在HeLa 細胞中，MICU2 表達降低多由MICU1 的減少所致，而過表達MCU 會促進MICU1 和MICU2 的表達[10]。

2.2 MCUb MCUb 是一個33 KD 的調(diào)節(jié)蛋白，其與MCU 序列相似性為50%。就蛋白拓撲結構而言，MCUb 與MCU 相似度極高，由于它具有N 端和C端均指向IMS 的兩個跨雙層膜的結構域，因此MCUb 的表達水平較低。正常細胞中MCUb 的過表達會抑制線粒體Ca2+攝取[11]。

2.3 EMRE EMRE 是10 KD 的單通道跨膜蛋白，是構成單向轉(zhuǎn)運復合物的亞基，位于IMM 上且具有高度保守性，其C 末端區(qū)域富含有天冬氨酸。研究證明，EMRE 具有橋接作用，將處于IMS 的鈣離子感受蛋白MICU1、MICU2 和處于IMM 上的MCU 結合在一起[12]。EMRE 下調(diào)可使線粒體Ca2+水平顯著降低，提示線粒體Ca2+攝取需要EMRE 的參與[12]。

3 MCU 及復合物與人類疾病

3.1 MCU 及復合物與腫瘤 線粒體Ca2+水平在腫瘤發(fā)生與發(fā)展中起著重要作用。MCU 在不同類型癌癥中表現(xiàn)出不同的表達水平。MCU 在乳腺癌和結直腸癌中的作用得到了廣泛的研究，乳腺癌中，MCU高表達促進了癌細胞上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移[13]。最近研究顯示，MCU 在癌細胞遷移和侵襲中發(fā)揮重要作用，MCU 表達與三陰性乳腺癌（triple negative breast cancer，TNBC）的腫瘤大小和淋巴結浸潤有關[14]。敲除MCU 可以減弱癌細胞的侵襲能力，抑制腫瘤生長，沉默MCU 可以抑制線粒體ROS 產(chǎn)生并降低低氧誘導因子（HIF）1-α 的表達[14]。在乳腺癌中，MCU水平與HIF1-α 信號轉(zhuǎn)導呈正相關[15]?？傊?，MCUROS 的相互作用是TNBC 的一個重要調(diào)節(jié)因素，可以作為TNBC 治療的一個重要靶點。

在結腸癌中，MCU 的過度激活促進了癌細胞的增殖，而MCU 的敲除和抑制可大大減少癌癥的發(fā)展，過表達MCU 及復合物可能有助于癌細胞的化療效果[16]。在胰腺癌和結腸癌中，MICU1 和MICU2的過度表達會降低線粒體Ca2+水平，并防止線粒體Ca2+超載誘導的細胞凋亡[17]。在胰腺癌中，組氨酸三聯(lián)體核苷酸結合蛋白（histidine triad nucleotide-binding protein，HINT2）能促進細胞死亡，這與MCU 調(diào)節(jié)和Ca2+流入有關[18]。HINT2 的表達可抑制細胞凋亡，此作用被MCU 抑制劑釕紅所阻斷，而腺病毒載體過度表達HINT2 會增加線粒體的Ca2+，使MICU1 和MICU2 下調(diào)、EMRE 上調(diào)[18]。MCU 及其復合物在多種腫瘤中發(fā)揮作用，抑制其功能，可以緩解腫瘤的發(fā)展。

MCU 不僅參與腫瘤的發(fā)生與發(fā)展，也與類癌癥疾病如肺動脈平滑肌細胞過度增殖、遷移和抵抗凋亡等密切相關，肺動脈高壓（pulmonary aterial hypertension，PAH）時血管病變導致MCU 復合體受損，MCU 下調(diào)和MICU1 蛋白上調(diào)[19]。MCU 功能失調(diào)不僅使細胞內(nèi)Ca2+超載引起細胞增殖和遷移，而且還減少了線粒體Ca2+，從而抑制了丙酮酸脫氫酶和葡萄糖的氧化，而microRNA 介導的MCU 及復合物可以作為調(diào)控目標，在疾病的早期階段，具有關鍵的指導作用[20]。MCU 及復合物與臨床多種腫瘤及相關疾病關系密切，其在不同腫瘤中的作用還需進一步深入探究。

3.2 MCU 及復合物與神經(jīng)性疾病 神經(jīng)元作為可興奮的細胞，不斷發(fā)射動作電位，并產(chǎn)生大量的Ca2+信號，以增加代謝需求來維持Ca2+的平衡。帕金森?。≒arkinson′s disease，PD）是由α-synuclein 在大腦中聚集而引起線粒體Ca2+超載、ROS 生成過多的神經(jīng)元損傷性疾病[21]。最近報道顯示，在PD 發(fā)病早期，抑制MCU 或MCU 復合物的功能，MICU1 可以被蛋白連接酶所降解，導致線粒體Ca2+吸收增多和細胞凋亡[22]。因此，MCU 或MCU 復合物在PD 發(fā)病過程中發(fā)揮關鍵作用。除了神經(jīng)退行性疾病外，MCU 及其復合物已被確認在神經(jīng)肌肉疾病中發(fā)揮重要作用，MICU1 的缺失或突變誘發(fā)學習困難和進行性運動紊亂，這些癥狀與線粒體Ca2+超載以及線粒體斷裂密切相關[23]。以上研究顯示，MCU 及其復合物在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中具有重要作用，適當調(diào)節(jié)線粒體Ca2+攝取，維持鈣穩(wěn)態(tài)，可能是神經(jīng)性疾病的重大治療策略。

阿爾茨海默癥（Alzheimer′s disease，AD）為臨床上出現(xiàn)頻率最高的一種神經(jīng)退行性疾病，β-淀粉樣蛋白在AD 患者的腦組織中特異性積累，線粒體功能紊亂是AD 發(fā)生的重要特征[24]。β-淀粉樣蛋白在腦組織中的積累導致線粒體Ca2+攝取增加，導致細胞因興奮性中毒死亡[25]。研究顯示，用MCU 抑制劑釕紅抑制MCU 的作用，可以減緩AD 的發(fā)生[26]。MCU及其復合物在AD 中的協(xié)同作用機制還需要進一步探究。

3.3 MCU 及復合物與心臟相關疾病 作為MCU復合物的核心通道，MCU 可以介導線粒體Ca2+轉(zhuǎn)運，參與調(diào)控ATP 的生成[27]。ATP 生成可以由線粒體Ca2+轉(zhuǎn)運來實現(xiàn)，為心肌提供能量[28]。

通過MCU 通道進入的大量Ca2+可以使線粒體Ca2+超載，在缺血再灌注損傷條件下，導致持續(xù)的線粒體Ca2+攝取。這種線粒體Ca2+的持續(xù)性升高破壞了生理性的Ca2+出入循環(huán)而導致mPTP 激活[29]。mPTP 是一個電壓依賴性、高電導率的孔，橫跨線粒體外膜（outer mitochondrial membrane，OMM）、IMS、IMM 和基質(zhì)。觸發(fā)該孔的兩個已知因素是基質(zhì)Ca2+和ROS 的含量。mPTP 開放導致質(zhì)子梯度的耗散，抑制ATP 的水解，水和溶質(zhì)迅速涌入，導致線粒體腫脹，最終導致細胞壞死[29]。mPTP 開放是決定心肌損傷的一個關鍵因素，也是心肌保護的重要方向。課題組前期研究顯示，白藜蘆醇、鋅離子等均可以通過抑制mPTP 開放發(fā)揮心肌保護作用[30-31]。Ca2+超載是誘發(fā)mPTP 開放的重要因素之一，Ca2+內(nèi)流不斷增多導致胞質(zhì)Ca2+大量積累，隨著電化學梯度進入到線粒體中，使得線粒體Ca2+超載進而mPTP 開放，抑制MCU的表達有助于減輕Ca2+超載所導致的mPTP 開放[32]。

研究證實，在MCU 基因敲除小鼠中，對小鼠左冠狀動脈結扎40 min 再灌注24 h 誘發(fā)心肌缺血再灌注損傷（myocardial ischemia/reperfusion injury，MI/RI），心肌肌鈣蛋白升高和心肌梗死面積增加，差速離心法分離線粒體并用分光光度計檢測mPTP 的開放程度，在Ca2+增加后線粒體未腫脹且吸光度顯著降低[33]。上述結果提示，MCU 缺乏可抑制Ca2+進入線粒體基質(zhì)，阻止mPTP 開放，減弱MI/RI 誘發(fā)的心肌細胞的凋亡，發(fā)揮有效的心肌保護作用。而改善MI/RI，MCU 的緩慢調(diào)節(jié)并非可靠的方法，只有迅速抑制MCU 才有可能成為預防MI/RI 誘導細胞凋亡的治療方案[34]。也有研究認為，心肌再灌注使MICU1表達降低，心肌梗死面積明顯增大，心肌細胞凋亡明顯增多。其機制可能是通過MICU1 抑制線粒體Ca2+超載來實現(xiàn)的[35]。

在心肌梗死中，心肌細胞缺血可以導致線粒體內(nèi)Ca2+超載并減少線粒體中MICU1 的表達[36]，因此，MICU1 可能通過抑制Ca2+超載緩解心肌缺血性損傷。研究還顯示，MCU 復合物相關蛋白EMRE 的過表達，加劇了心肌缺血性損傷，增加了心肌梗死面積，加快了心肌細胞的凋亡，其可能的發(fā)生機制與線粒體ROS 產(chǎn)生密切相關[37]。然而，MICU1 在心肌梗死中的具體機制，MICU1、EMRE 是如何通過MCU 調(diào)節(jié)心肌缺血性損傷還需要進一步詳細研究。

線粒體Ca2+可以影響ATP 的生成和線粒體ROS 的產(chǎn)生，進而引起線粒體功能障礙或心肌相關疾病。因此，維護線粒體能量代謝，控制其Ca2+超載、ROS 產(chǎn)生是預防心肌疾病的重要策略[38]。研究證實，MICU1 表達增加可以顯著減輕糖尿病小鼠的心室肥大，抑制線粒體ROS 的生成，說明MICU1 具有改善糖尿病心肌病的心臟功能的作用[39]。MICU1 上調(diào)后應用siRNA 干擾MCU 的表達，線粒體Ca2+攝取能力顯著降低，同時凋亡蛋白表達明顯上升[39]。上述研究表明，MICU1 可以通過MCU 抑制心肌細胞線粒體ROS 的生成，有效減少心肌細胞凋亡。而MCU的調(diào)節(jié)蛋白EMRE 的表達升高會引起線粒體Ca2+超載加劇ROS 的生成，ROS 線粒體釋放至胞漿，激活了下游的某些信號通路，使心肌細胞凋亡，最終導致糖尿病心肌病發(fā)生[40]。因此，MCU 及其復合物在心肌疾病中發(fā)揮重要作用。

綜上所述，MCU 及其復合物通過不同的機制對疾病產(chǎn)生多種影響，本文重點探討了MCU 和MCU復合物的特點和功能及其在協(xié)同介導Ca2+轉(zhuǎn)運、線粒體Ca2+攝入中的重要作用。MCU 及復合物在腫瘤、神經(jīng)退行性疾病、心肌疾病中具有重要作用，表明調(diào)控MCU 及其復合物可能是疾病治療的新靶點。有鑒于此，需進一步探討MCU 及其復合物與疾病的發(fā)生機制，為新藥研發(fā)提供新思路。