线粒体动力学

线粒体动力学

一、线粒体动力学

1898 年，Benda 观察到线粒体形态上的异质性，即线粒体可呈球形或线性。1914 年，Lewis 等进一步发现，任何一种形态类型的线粒体（如颗粒、棒或线性），都可能会变成其他任何一种形态类型的线粒体，或者可能与另一种线粒体融合，或者可能会分裂成一个或多个线粒体，根据这一发现提出了线粒体动力学的基本概念。 在不同的生命过程或外界刺激的作用下，线粒体持续的分裂（fission）和融合（fusion），保持一个动态的平衡，调节线粒体的形态、功能和数量[1]。线粒体与线粒体互相紧密连接，呈网状，称为线粒体网[2]。

线粒体处在动态变化的过程中，不断发生融合与分裂的相对平衡，导致了相互连接的、中间形态的或片段形态的线粒体混合状态。在一定生理或病理改变状态下，可发生该平衡的改变，线粒体融合或裂解状态的增强，导致线粒体形态、功能和数量上的改变。线粒体裂解与融合均由高度保守的三磷酸鸟苷（GTP）酶介导[1]。

• 裂解主要由 DRP1（dynamin-related protein 1，动力相关蛋白1）、FIS1（mito-fission 1，线粒体分裂蛋白1）、MFF（mitochondrial fission factor，线粒体分裂因子）介导[1,2]。
• 融合过程分为线粒体外膜（OMM）的融合与线粒体内膜（IMM）的融合。线粒体外膜的融合由 MFN1/2（mitochondrial fusion proteins mitofusion，线粒体外膜融合蛋白）介导，线粒体内膜的融合由 OPA1（optic atrophy 1，视神经萎缩蛋白）介导[1,2]。

二、线粒体分裂

1、分裂过程

（1）DRP1 与 FIS1

DRP1 是胞质蛋白，作为裂解的主要蛋白，激活后定位到线粒体膜上，形成环状结构，收缩并分裂线粒体[1]。 DRP1 以丝氨酸 616 依赖的方式被 CDK1/Cyclin B 磷酸化[3]。线粒体外膜分子 FIS1 上的 TRP 介导胞浆中 DRP1 转位至线粒体外膜，DRP1 在线粒体分裂位点聚集形成套锁结构后与 FIS1 结合并形成复合体，并通过水解 GTP 改变分子间的距离或角度，逐渐压缩直至线粒体断裂，产生两个独立的线粒体。当线粒体分裂完成后，DRP1 磷酸化脱落至胞质中[2]。

（2）外膜招募

由于 DRP1 缺乏直接与膜磷脂结合的结构域，因此它在外膜上的招募需要衔接蛋白，包括 MiD49（mitochondrial dynamics proteins，线粒体动力蛋白）、MiD51、MFF[3]。

线粒体功能障碍和细胞内 AMP/ATP 比值升高时，MFF 是细胞能量传感器 AMPK 的底物（AMPK见帖：AMPK信号通路）。MiD49 和 MiD51 将 DRP1 招募至外膜，进而促进 DRP1 寡聚。MFF 选择性地招募 DRP1 的低聚和活性形式[3]。

（3）内膜招募

DRP1 招募到内膜会导致脂质体（liposome）管化，但不会分裂。最终的分裂需要由可溶于内吞囊泡的标准蛋白 Dnm2（Dynamin 2，发动蛋白2）催化的额外过程。Dnm2 是一种 GTP依赖性蛋白酶，其组装为项圈状结构，位于出芽胞膜包被囊泡（budding membrane-bound vesicles）的脂质收缩颈部周围[3]。

（4）内质网

DRP1 进入内膜后，Dnm2 被暂时性地专门招募到内质网（ER）中，之后 DRP1诱导收缩位点，导致分类。值得注意的是，ER 在线粒体裂变中起着重要作用[3]。事实上，当 DRP1 被招募到外膜时，ER 也接近线粒体外周，并包裹线粒体，导致线粒体收缩。这一步骤使线粒体直径从约 300~500nm 减少到约 150nm，从而形成 DRP1-寡聚环[3]。

这些 ER 接触位点不仅有助于缩小线粒体，而且是重要的代谢物和信息交换位点，促进膜的重塑和分裂。除了作为 DRP1 及其衔接蛋白 MiD49 和 MiD51 的招募位点外，ER 接触位点还表现出磷脂和 Ca2+ 转移[3]。肌动蛋白成核蛋白 INF2 和线粒体 Spire1C 调节线粒体-内质网接触位点上线粒体收缩所需的肌动蛋白组装[3]。

2、DRP1调节

DRP1 的活性由两个关键丝氨酸磷酸化的相反作用迅速调节。丝氨酸 616 位点的磷酸化增强 DRP1 活性，而丝氨酸 637 位点的磷酸化则减弱其活性，丝氨酸 616 位点与 637 位点的磷酸化比例决定 了 DRP1 活性。DRP1 活性也由泛素连接酶膜相关蛋白5和小泛素样修饰剂1进行翻译后调控。DRP1 抑制剂 Ｍdivi-1 可以抑制 DRP1 的 GTP 酶活性，可抑制线粒体裂解过程，是目前能够影响线粒体动力学表征的最佳药物。另一种称为 p110 的DRP1 抑制剂能够阻断 DRP1-FIS1 相互作用，从而阻止 DRP1 募集到线粒体，线粒体碎裂和 ROS 产生，从而影响凋亡和细胞活力[1]。

研究发现，与 G 蛋白偶联的细胞信号转导途径上游调控 PKA 或 CaN（calcineurin，钙调神经磷酸酶）可被其邻近的支架招募，PKA 通过磷酸化 DRP1 656 位丝氨酸残基介导 DRP1 磷酸化后从外膜转位至胞浆，然后降解失活。CaN 功能相反，通过使该位点去磷酸化来维持 DRP1 的分裂功能[2]。

三、线粒体融合

1、外膜融合

相邻 2 个线粒体找到融合的最佳位点，然后进行外膜融合，这依赖位于线粒体外膜上的 MFN1 和 MFN2。由于 MFN1/2 位于线粒体外膜，跨膜区面向胞质，MFN2 上 HR2（hydrophobic region 2，疏水区2）介导相邻 2 个线粒体外膜上的 MFN1/2 相互连接形成同源二聚体和异源二聚体。MFN1/2 上的 GTP 酶结构域调整 HR2 的结构，最终使线粒体的外膜融合[2]。

MFN1 和 MFN2 具有高度同源性，但二者介导的水解活性和融合效率却不相同。 MFN1 具有更强的水解活性和融合效率。而 MFN2 在线粒体与内质网融合网络的形成上有更强的功能，在调节 Ca2+ 稳态等功能上起到重要的作用[1]。

MFN 受到各种翻译后修饰以及与其他蛋白质直接相关的调节。结合这些调节机制决定哪些线粒体接触将导致线粒体融合。MFN1 和 MFN2 活性可以通过特异性磷酸化进行修饰，两种蛋白质的泛素化可能导致其降解。Parkin（具有E3泛素-蛋白连接酶活性）可以直接泛素化 MFN2，导致其降解，并防止损伤的线粒体融合到健康的线粒体。MFN2 也可以通过乙酰化进行调节，其脱乙酰化导致增强其对营养缺乏状态的反应。已经证明在健康细胞中，Bax 与 MFN2 相互作用并刺激线粒体融合[1]。此外，MFN2 是线粒体-内质网（ER）接触位点连接的关键调控因子[3]。

2、内膜融合

在外膜融合后，位于线粒体内膜的 OPA1 介导了内膜融合[1-3]。OPA1 已被证明是内膜融合所必需的[1]。OPA1 包含至少两个蛋白水解裂解位点 S1 和 S2 位点，在两种膜结合金属蛋白酶 OMA1 和 Yme1L 的控制下，可以产生较短的可溶性片段。在内膜融合过程中，OMA1 比 Yme1L 发挥更重要的作用[3]。

• OMA1 是一种定位于线粒体内膜的蛋白酶，当线粒体功能失调时，OMA1 会被激活[1]。
• Yme1L（Yme1 Like 1 ATPase）是 AAA 家族 ATP 酶的主要成员，位于线粒体内膜[1]。
• OMA1 或 Yme1L 处理 OPA1 后，不仅抑制内膜融合活性，而且还可以直接促进线粒体碎裂[1]。

随后，OPA1 被分割成至少 5 个片段，其中分子量最高的 2 个形式被鉴定为 L-OPA1，其他 3 个被鉴定为 S-OPA1[3]。

此外，内膜中的脂质成分，如心磷脂（CL），在膜的重塑和动力学中起着关键作用。CL 对于大型蛋白质复合物（如线粒体接触位点和嵴组织系统）的组装和稳定是必要的。在氧化应激条件下，由 S-OPA1 促进的 L-OPA1 和 CL 之间的异型相互作用驱动内膜融合[3]。

OPA1 在线粒体融合的作用中依赖 MFN1，MFN2 依赖 OPA1[2] 。另外，OPA1 还参与了线粒体嵴的形成和线粒体的能量代谢[2]。

四、有丝分裂

线粒体分裂与有丝分裂之间的这种协调确保了线粒体向子细胞的平等分配。在从 G1 期到 S 期的过渡期，线粒体融合并增加 ATP 的产生。细胞周期的进展和线粒体形态的协调是紧密相连的，线粒体裂变对线粒体适当分离到子细胞至关重要[1]。

在正常细胞中，长时间的线粒体融合对细胞分裂有害，会导致有丝分裂染色体排列缺陷，从而抑制细胞的有丝分裂。细胞周期蛋白依赖性激酶 CDK1 通过 S616 位点的磷酸化激活 DRP1， 在 G1/S 转化点通过降低 DRP1 的活性可增加线粒体的融合状态。DRP1 的抑制可诱导线粒体的融合（通过抑制裂解过程）可增加 cyclinE 的表达并引发 DNA 复制，引发 G2/M 检查点的激活， 导致细胞周期停滞。总之，细胞周期内异常线粒体的融合可通过影响细胞周期抑制细胞的增殖[1]。细胞周期变化，见帖：细胞周期系列之一：细胞周期。

五、细胞凋亡

细胞的凋亡总是对应线粒体裂解状态的改变。研究发现，Bax 和 Bak 在凋亡的初始阶段与 DRP1 共定位。Bax 和 Bak 可能参与线粒体的融合，可溶性的 Bax 可以通过与 MFN2 的相互作用促进线粒体融合。研究认为线粒体的融合可抑制细胞的凋亡，而线粒体裂解与细胞凋亡相关[1]。

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参考文献

[1]张泽,董琼珠,钦伦秀.线粒体动力学与肿瘤的研究进展[J].复旦学报(医学版),2019,46(01):128-134.

[2]黄健,姜小凡,叶莉斯,林冬静,田洪艳.线粒体动力学研究进展[J].吉林医药学院学报,2018,39(05):371-373.DOI:10.13845/j.cnki.issn1673-2995.2018.05.020.

[3]Wang DK, Zheng HL, Zhou WS, Duan ZW, Jiang SD, Li B, Zheng XF, Jiang LS. Mitochondrial Dysfunction in Oxidative Stress-Mediated Intervertebral Disc Degeneration. Orthop Surg. 2022 Aug;14(8):1569-1582. doi: 10.1111/os.13302. Epub 2022 Jun 8. PMID: 35673928; PMCID: PMC9363752.