Mfn2 對心力衰竭影響的研究進展

孫娜 黃佳濱

佳木斯大學附屬第一醫(yī)院老年病科，黑龍江佳木斯 154000

心力衰竭（heart failure，HF）是心血管疾病的終末期，發(fā)病率和死亡率均較高。現(xiàn)今對于心力衰竭的治療方案較多，臨床不斷出現(xiàn)中西藥聯(lián)合應用，但預后仍較差。在心力衰竭的治療中，線粒體功能網(wǎng)絡結(jié)構中的各個階段出現(xiàn)異常，有可能成為診斷和治療心衰的新方向，成為目前研究人員關注和探討的方向。

1 線粒體概述

線粒體是細胞內(nèi)一個功能多樣化的細胞器。線粒體中有兩層膜：線粒體外膜（outer mitochondrial membrane，OMM）和線粒體內(nèi)膜（inner mitochondrial membrane，IMM），兩個膜之間的空間稱為膜間空間。線粒體作為能量發(fā)電站對于心肌細胞的活動起著重要的調(diào)控作用，當線粒體任一結(jié)構出現(xiàn)異常時心臟泵血等功能也將因此發(fā)生障礙。線粒體融合在線粒體中起著重要作用，參與多種細胞功能，如自由基產(chǎn)生、鈣穩(wěn)態(tài)、細胞凋亡和壞死。且有研究表明，促進線粒體融合可以改善心肌肥厚并降低其所致心力衰竭的發(fā)生率，而Mfn2 是線粒體融合發(fā)揮功能的重要蛋白，因此進一步了解Mfn2 的結(jié)構和作用非常必要。

2 Mfn2 的結(jié)構和作用

2.1 Mfn2 結(jié)構

哺乳動物線粒體融合蛋白已被鑒定為果蠅模糊洋蔥蛋白（Fzo）的人類同源物。Mfn2 是一種大部分存在于線粒體而少部分存在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的蛋白。Mfn2（757aa）是位于線粒體外膜上的跨膜GTP 酶，與相同的相關功能域具63%的同源性。保守結(jié)構域由氨基末端GTP 結(jié)合結(jié)構域和卷曲螺旋結(jié)構域（七肽重復HR1）和一個具有二分跨膜結(jié)構域和第二個卷曲螺旋結(jié)構域（七肽重復HR2）的羧基末端。GTPase 和卷曲螺旋結(jié)構域均暴露于胞質(zhì)溶膠。此外，Mfn2 擁有一個在Mfn1 中不存在的N 端Ras結(jié)合域，表明Mfn2 的特定作用。例如，Mfn2 可以影響內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（endoplasmic reticulum，ER）和線粒體之間的相互作用和ER 應激反應，與Mfn1 不同。Mfn2 的異常表達與多種疾病相關，包括阿爾茨海默病、帕金森病、肥胖癥、糖尿病/胰島素抵抗和心肌病。細胞內(nèi)鈣離子代謝的調(diào)節(jié)方面也能看到Mfn2的身影，所以認為其在肌細胞興奮收縮偶聯(lián)中也發(fā)揮重要作用。

2.2 Mfn2 與線粒體融合

線粒體融合可以特異性地動態(tài)修復線粒體的可逆損傷部分，形成有功能性的細長細胞器。在此過程中，mtDNA 混合，這被認為是有益的。OMM 的融合由mitofusin1（Mfn1）和Mfn2 介導，而IMM的融合由視神經(jīng)萎縮1（opticatrophy1，Opa1）介導。簡而言之，兩個線粒體被Mfn1 和Mfn2 束縛，導致OMM 融合。然后，在Opa1 的介導下發(fā)生IMM 的融合。大量研究表明線粒體融合有利于氧化磷酸化，線粒體融合可以防止線粒體DNA 丟失，保護線粒體蛋白質(zhì)合成，從而維持線粒體的正常功能。此外，線粒體融合事件可以稀釋受損的線粒體蛋白質(zhì)和DNA，通過“功能互補”的過程修復受損的線粒體。線粒體融合機制受損可加速線粒體裂變，進而產(chǎn)生線粒體斷裂，導致心肌細胞氧化磷酸化喪失和凋亡。在包括心力衰竭和視神經(jīng)病變在內(nèi)的許多情況下，裂變和融合可能會受損，包括Charcot Marie 牙病和常染色體顯性遺傳性視神經(jīng)萎縮（autosomal dominant optic atrophy，ADOA）。缺血性心力衰竭中關鍵融合蛋白的表達減少和小的、碎片化的線粒體的積累與裂變和融合受損是一致的，故心力衰竭與線粒體融合關系密切。

2.3 Mfn2 與細胞凋亡

細胞凋亡過程中線粒體的作用功不可沒。在凋亡刺激下，BCL2 關聯(lián)X 蛋白（recombinant Bcl2 associated X protein，Bax）和BAK 被激活并進一步形成高階寡聚體以增加線粒體外膜通透性（mitochondrial membrane permeability，MOMP），與線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔（mitochondrial permeablity transition pore，mPTP）的開放無關。Bax 是Bcl-2家族的重要促凋亡成員，在細胞凋亡的初始階段與線粒體斷裂部位的Mfn2 相關聯(lián)；Mfn2 誘導的心肌細胞凋亡與線粒體中細胞色素c 釋放到胞質(zhì)溶膠的增加以及caspase-9 和caspase-8 的激活有關。Mfn2的過表達促進BAX 從細胞質(zhì)易位到線粒體膜，從而誘導許多腫瘤細胞凋亡，包括肝細胞癌細胞、乳腺癌細胞、膀胱癌細胞和宮頸癌細胞，這些結(jié)果表明了Mfn2 的抗腫瘤功效。升高的Mfn2 表達可以顯著促進培養(yǎng)的心肌細胞的凋亡，而siRNA 介導的Mfn2 沉默保護細胞免受氧化應激誘導的細胞凋亡，表明Mfn-2 上調(diào)對于氧化應激介導的肌細胞凋亡是必要和充分的。

不同的是，另外有報道表明Mfn2 有抗細胞凋亡的作用。相應于氧化應激和其他凋亡刺激，Mfn2 泛素化和蛋白酶體降解的增加導致線粒體斷裂并誘導凋亡和細胞死亡。與該結(jié)果一致，Mfn2 過表達可以恢復線粒體斷裂并防止神經(jīng)元凋亡。因此，BCL-XL復合的Mfn2 保持抗凋亡功能。最近實驗表明，減弱AngⅡ誘導的H9c2 心肌細胞能量代謝，調(diào)控Mfn2 的表達，可有效抑制心肌細胞凋亡，從而改善心功能。

簡而言之，Mfn2 在細胞凋亡中的作用可能取決于環(huán)境（細胞類型、不同的凋亡刺激物及不同分子的相互作用）。

2.4 Mfn2 與線粒體自噬

為了維持健康的線粒體網(wǎng)絡和功能以應對各種壓力，需要在細胞中激活線粒體質(zhì)量控制機制，稱為線粒體自噬。自噬是一種重要的細胞機制，可控制受損或功能失調(diào)的細胞成分的清除。在此過程中，自噬體吞噬線粒體，轉(zhuǎn)移到溶酶體，隨后與發(fā)生降解的溶酶體融合。研究表明，Mfn2 與自噬體形成和自噬體-溶酶體融合的增加有關，故表明Mfn2是線粒體自噬的介質(zhì)。線粒體自噬的分子機制PINK1 介導的Mfn2 磷酸化促進Mfn2-parkin 相互作用，從而促進線粒體蛋白泛素化和通過接頭蛋白LC3募集自噬體。同樣，心臟和大腦等特定組織中的Mfn2-KO 直接損害線粒體自噬并導致受損線粒體的積累。一方面，Mfn2 還通過與心肌細胞和多巴胺神經(jīng)元中的PINK1、Parkin 和Bnip3 相互作用來調(diào)節(jié)線粒體自噬。另一方面，Mfn2 通過改變線粒體膜電位來調(diào)節(jié)與心力衰竭相關的線粒體自噬；隨后對心力衰竭模型的實驗表明，線粒體自噬不足會加重心臟損傷。此外，泛素化蛋白通過特定的自噬相關受體[如optineurin（optin）、NBR1 和p62]與LC3-II結(jié)合，形成自噬體。自噬體的形成消除了線粒體融合事件，導致線粒體斷裂。線粒體蛋白的募集促進了受損線粒體與LC3 陽性吞噬體的相互作用，從而在溶酶體中降解，這些過程的任何損害均可能導致線粒體功能障礙和細胞死亡。

2.5 MFN2 與線粒體呼吸

細胞呼吸發(fā)生在線粒體中，將營養(yǎng)物質(zhì)的生化能量轉(zhuǎn)化為細胞提供能量的三磷酸腺苷（ATP），然后釋放廢物。AMPK 是一種能量傳感器，研究結(jié)果首次揭示了AMPK 的一部分分布在線粒體相關內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜（mitochondria associatedendoplasmic reticulum，MAM）中，并在正常條件下與MFN2 相互作用。在能量應激條件下，大量AMPK 被轉(zhuǎn)移到斷裂的線粒體，且進一步研究發(fā)現(xiàn)，沉默AMPK 干擾了MAM的形成，以響應能量剝奪條件，故而保持線粒體融合的正常工作和線粒體活動與生物氧化磷酸化之間存在密切聯(lián)系，耗氧量的增加亦或減少與線粒體融合之間存在負相關；與此同時，Mfn2 減少時會引起三羧酸循環(huán)代謝出現(xiàn)明顯異常。然而，來自肥胖人類和動物模型的骨骼肌的Mfn2 表達明顯減少。Mfn2 表達的穩(wěn)定敲低還減少了成纖維細胞中的葡萄糖氧化和耗氧量，攜帶Mfn2 無效突變的成纖維細胞表現(xiàn)出線粒體膜電位喪失，內(nèi)源性呼吸減少，且在ATP 耗盡后無法增加呼吸，表明Mfn2 活性低的細胞依賴無氧糖酵解產(chǎn)生能量。因此，Mfn2 功能的喪失導致線粒體代謝改變，其特征是線粒體膜電位和細胞耗氧量降低，以及底物氧化降低。據(jù)報道，丟失MFN2 降低了線粒體的基本耗氧率和儲備呼吸能力，增加了質(zhì)子泄漏，并降低了ATP 的生成率。與以上觀察結(jié)果一致，敲除Mfn1 和Mfn2 的MEF 降低了線粒體膜電位，減少了呼吸，并減少了最大呼吸；另一方面，增加的Mfn2 表達導致更大的呼吸復合體活性、更多的糖酵解和增強的線粒體生物合成Mfn2 表達在高能量需求的環(huán)境中增加，如運動，及作為對凋亡刺激的反應。試驗表明，在沒有MFN2的情況下，呼吸鏈功能的缺陷可以用輔酶Q 的缺乏進行解釋；MFN2 的缺失與線粒體網(wǎng)絡的碎片有關，但這種改變可能不是輔酶Q 的原因缺陷是因為Mfn2敲除MEFS 中線粒體網(wǎng)絡形態(tài)的正常化不會使輔酶Q 水平正?；?，因此，Mfn2 對線粒體呼吸鏈和能量代謝方面具有顯著影響。

2.6 Mfn2 與心肌肥厚

心肌肥厚發(fā)生在許多疾病狀態(tài)，以應對心臟負荷的增加，且容易發(fā)展為心室擴張、收縮功能障礙和心力衰竭。大多數(shù)研究表明，心肌梗死和心衰與線粒體過度分裂和線粒體融合不足有關。與健康心臟相比，心臟衰竭大鼠的線粒體更小、更碎片化。所以，線粒體功能障礙和代謝異常引起的能量不足是心肌肥厚和心力衰竭的關鍵因素。最近的研究表明，MAM 標志著自噬體形成的起始位點和線粒體分裂的位置。除了作為一種必需的線粒體融合蛋白，Mfn2 也是一種MAM 蛋白，負責連接內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體。使用心臟動力蛋白相關蛋白1（dynaminrelated protein 1，Drp1）基因敲除小鼠和心臟Mfn雙基因敲除小鼠，研究表明，在成年心臟中會抑制線粒體裂變，但不會抑制融合，從而增加心肌纖維化，引發(fā)心肌細胞壞死。過去已經(jīng)在幾種疾病模型中研究了心臟肥大中Mfn2 表達的變化—從自發(fā)性高血壓大鼠到由橫向主動脈縮窄（thoracic aorta constriction，TAC）引起的壓力超負荷肥大。隨后根據(jù)使用具有不同條件心臟消融融合蛋白的小鼠來研究Mfn1 和Mfn2 的功能，表明兩種Mfn 亞型的條件性心臟消融同時對線粒體形態(tài)、呼吸和收縮功能產(chǎn)生有害影響，導致心力衰竭死亡。Mfn2通過調(diào)節(jié)各種生物過程（包括線粒體融合、線粒體自噬和細胞凋亡）在心臟肥大和心力衰竭的發(fā)展中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。體內(nèi)研究表明，心肌細胞中Mfn2 的特異性缺失會損害線粒體融合和適度的心肌肥厚。同樣，體外研究觀察到，在AngII 誘導的心肌細胞肥大中，Mfn2 降低，并伴有線粒體形態(tài)從細絲變?yōu)槎潭毜淖兓?。Mfn2 在AngII 誘導的心肌細胞拯救線粒體融合上過表達，導致兩個短而小的線粒體形成大線粒體并減弱肌細胞肥大。Mfn2消融缺陷Parkin 信號傳導，引發(fā)異常線粒體自噬。此外，自噬體-溶酶體融合在Mfn2 缺陷小鼠中受損，導致自噬體積累和進行性心力衰竭；Mfn2 通過將RAB7 吸引并結(jié)合到自噬體膜上來介導心臟中的自噬體-溶酶體融合。在高血壓大鼠模型中，給予甘露醇可促進腸內(nèi)胰高血糖素樣肽-1（glucagon-like peptide 1，GLP-1）的產(chǎn)生，增強心臟線粒體融合，改善心臟功能。在其他對暴露于去氧腎上腺素誘導心肌細胞肥大的新生大鼠心肌細胞和心臟肥大體內(nèi)模型的研究中，還發(fā)現(xiàn)Mfn2 mRNA 水平降低，表達Mfn2 反義序列的腺病毒足以在培養(yǎng)的心肌細胞中促進線粒體分裂并引起肥大反應。研究證實，在Mfn2 敲除小鼠中出現(xiàn)中度心肌肥大和輕度功能惡化。最近的一項研究表明，microRNA-20b 通過下調(diào)Mfn2 和促進細胞質(zhì)Ca超載、削弱線粒體緩沖能力來加劇心肌肥厚。

綜上，以上結(jié)果表明Mfn2 是心肌肥厚和心力衰竭的必要成分。

3 總結(jié)和展望

線粒體融合是正常線粒體功能中必不可少的一部分，是維持正常生理功能的基礎條件。據(jù)報道，在包括缺血性心力衰竭在內(nèi)的許多疾病中，參與裂變和融合的蛋白質(zhì)發(fā)生了變化，使其成為可能的治療靶點。一些研究表明，Mfn2 在心臟?。òㄐ牧λソ吆托募∪毖┲械倪^表達可以減輕對各種壓力的心臟肥大和功能障礙。由于Mfn2 參與各種生物反應，調(diào)節(jié)機制復雜，因此，需要進一步研究探討Mfn2在心血管疾病中的詳細分子機制，為患者提供新的治療靶點。