学术荟萃杨毅宁线粒体动力学在心肌缺

杨毅宁

新疆医院

干部保健中心主任。新疆医院学术带头人...

　　线粒体（Mitochondria）是哺乳动物细胞中主要能量产生的细胞器。除供能外，线粒体还参与调控细胞分化、细胞信息传递、细胞凋亡、生长和周期。线粒体是一种动态的细胞器，频繁地发生融合（fusion）与分裂（fission），这种动态变化形成了线粒体动力学。正常状态下心肌细胞中线粒体动力学处于平衡状态，以维持心脏能量代谢需求。细胞中调控线粒体动力学的蛋白分为线粒体分裂相关蛋白和融合相关蛋白，其中分裂蛋白包括：线粒体动力相关蛋白1（dynamin-relatedprotein1，Drp1），线粒体分裂蛋白1（fissionprotein1，Fis1），线粒体分裂因子（mitochondrialfissionfactor，Mff）等。融合蛋白包括：线粒体融合蛋白1（mitofusin1，Mfn1），线粒体融合蛋白2（mitofusin2，Mfn2），视神经萎缩因子1（opticatrophy，OPA1）等。目前研究显示，心肌缺血再灌注（ischemia/reperfusion，I/R）损伤导致线粒体动态变化从融合趋向分裂，然而抑制线粒体过度分裂可以减轻心肌I/R损伤。本文就线粒体动力学分子在心肌I/R损伤中的研究进展进行综述。

1.线粒体动力学蛋白

1.1线粒体分裂蛋白

　　正常生理状态下，Drp1绝大多数分布于细胞浆，只有大约3%分布于线粒体外膜上，在收到外界信号刺激情况下，通过被招募到线粒体外膜导致线粒体分裂，是调控线粒体分裂的主要蛋白。Drp1蛋白由GTPase域、中间域、可变域和GTPase效应域构成。Drp1蛋白由于缺乏脂质相互作用pleckstrin蛋白同源域，因而与Mfn1、Mfn2、OPA1蛋白发挥作用的方式不同，Drp1需与线粒体外膜特定受体相结合才能发挥分裂作用，其受体主要包括Fis1，Mff，Mid49，和Mid51。研究报道，正常生理状态下Drp1以二聚体或四聚体存在细胞浆中，受到刺激信号后进一步自行组装形成更大的多聚体结构并向线粒体外膜移动，与上述受体结合从而发挥分裂线粒体的作用。学者还发现，Drp1可通过经过磷酸化、S-亚硝基化、泛素化及小分子泛素样修饰体翻译后修饰，以应对不同的细胞刺激信号，从而调控线粒体形态。

　　Fis1是一种小分子锚定蛋白，大量镶嵌在线粒体外膜上，通过结合Drp1发挥促进线粒体分裂作用。细胞受到外界刺激信号后，Fis1可以招募Drp1到线粒体外膜促进线粒体分裂。Loson等发现从小鼠胚胎干细胞中敲除Fis1后，采用免疫荧光学技术发现聚集到线粒体外膜的Drp1荧光密度明显降低。Mff与Fis1类似，也是一种嵌入线粒体外膜的尾部锚定膜蛋白，研究发现，细胞受到外界信号刺激时，Mff立即聚集到线粒体外膜分裂位点，同时招募胞浆中以二聚体或者四聚体存在的Drp1向线粒体外膜移动形成寡聚体，继而活化Drp1的GTP酶活性，促使线粒体分裂。最新研究报道另外两种分裂蛋白MiD49和MiD51蛋白，二者也是线粒体外膜小分子锚定蛋白，可通过促进Drp1向线粒体外膜转移，从而导致线粒体异常分裂。

1.2线粒体融合蛋白

　　Mfn1和Mfn2是线粒体外膜主要的融合蛋白，两者可形成3种不同的分子复合物，即Mfn1型同型寡聚物、Mfn2型同型寡聚物和Mfn1-Mfn2异型寡聚物，这些复合物能够促进线粒体融合。Mfn1和Mfn2蛋白的N端有GTPase结构域，介导了GTP水解依赖性线粒体融合，C端部分诱导线粒体融合蛋白间的寡聚。Mfn1的GTP酶活性比Mfn2高8倍，能够更有效地促进线粒体融合。除了能够融合线粒体外，有证据显示Mfn2也参与肌质网和线粒体的连合、心肌细胞的凋亡和心脏的线粒体自噬。

　　OPA1是一个动态相关的GTPase酶，定位于线粒体内膜，在线粒体内膜融合和维持线粒体嵴的形态中起关键作用。人类的OPA1基因的开放阅读框由30个外显子构成，其中外显子4、4b和5b是选择性剪接的，可生成8种mRNA亚型。随着这些mRNA亚型的翻译，相应的蛋白质进一步被蛋白酶YME1L和OMA1剪切为短链OPA1（S-OPA1）和长链OPA1（L-OPA1）。由于跨膜域的缺乏，S-OPA1局限于膜间隙，与线粒体内膜定向定位的L-OPA1功能有所不同。线粒体内膜局部的L-OPA1相互作用，形成一个活动的四级结构，它可以“钉在”线粒体内膜上，以加强嵴连接，L-OPA1与Mfn1和Mfn2相互作用，介导线粒体融合。此外，S-OPA1与在内质网-线粒体接触点的线粒体外膜分裂组件有共同定位，能够促进线粒体分裂，多余的S-OPA1与干扰L-OPA1同型复合体的形成，从而削弱了线粒体内膜融合。

2.线粒体动力学在心肌I/R损伤中的分子作用机制

　　心肌缺血时，能量代谢转变为以糖酵解为主，产生大量的酸性产物，诱发细胞内酸性毒性增加，从而损害细胞微观结构。与此同时，ATP耗竭，从而减少线粒体Ca2+-ATP酶和Mg2+-ATP酶的活性，导致Ca2+超载。这种能量代谢的改变可能会导致线粒体通透性转换孔（mitochondrialpermeablitytransitionpore，mPTP）开放，导致心肌功能损伤。此外，在缺血时，心肌细胞线粒体产生大量活性氧簇（reactiveoxygenspecies，ROS），可导致心肌损伤。最新研究表明，ROS和Ca2+超载可能会通过介导线粒体动力学相关蛋白的表达调控线粒体动力学变化，从而在心肌I/R损伤中发挥重要作用。

2.1线粒体动力学与Ca2+超载

　　研究表明，I/R后Drp1可迅速转移到线粒体外膜，诱导线粒体分裂增加。此外在心肌I/R时，细胞质中Ca2+积累可激活钙调磷酸酶，使Drp1（S）去磷酸化，促使Drp1向线粒体外膜移动增加，从而导致线粒体分裂和细胞凋亡。miR-可以通过特定位点绑定钙调磷酸酶催化亚基（CnAα，CnAβ），抑制其翻译过程，从而下调其表达水平及钙调磷酸酶的活性，抑制I/R过程中Drp1（S）去磷酸化，从而抑制Drp1的线粒体集聚，减少线粒体分裂，抵消Ca2+超载对Drp1的影响。此外研究表明I/R发生后，Drp1（S）被Pim-1磷酸化，使Drp1失活，抑制其线粒体移位，以维持线粒体完整性，保护心肌细胞免受I/R损伤。

2.2线粒体动力学与ROS

　　I/R导致细胞内ROS大量产生，ROS可以作为上游信号分子，激活细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶（CDK1）和PKCδ（一种非钙敏性的蛋白激酶C同工酶），增加Drp1（S）磷酸化水平，使Drp1活化，造成线粒体分裂增加及功能障碍，从而介导线粒体分裂在心肌细胞I/R中的损伤。研究表明，I/R前使用mdivi-1（Drp1特异性抑制剂），可降低线粒体生成ROS，减少线粒体分裂，从而改善心脏的舒张功能。

近年来研究表明，虽然Mfn1和Mfn2都介导线粒体融合，但它们在I/R损伤中作用相。在I/R过程中的ROS爆发引起Mfn2上调，进一步抑制Akt（蛋白激酶B）激活，造成caspase-9活化，从而诱导心肌细胞凋亡。有研究者发现，Mfn1能抑制caspase-3和caspase-9的活化，进而抑制核酸内切酶G释放，减少细胞凋亡。此外ROS还上调miR-水平，抑制Mfn1在I/R心肌细胞中的表达，增加核酸内切酶G释放，增加心肌细胞凋亡。ROS还可激活OMA1，促进L-OPA1被剪切为S-OPA1，导致线粒体嵴重构和细胞色素C释放，造成细胞凋亡增加。

2.3线粒体动力学与mPTP

　　大量研究表明，心肌I/R损伤中mPTP的开放起重要作用。正常生理条件下，mPTP是关闭状态，但在低氧、I/R损伤、ca2+超载等应激条件下，mPTP开放，通透性增加，致使线粒体肿胀，导致线粒体结构受损和功能紊乱。使用mdivi1抑制Drp1活性可阻止mPTP开放，减少心肌细胞死亡数目和心肌梗死面积。研究还表明，敲除Mfn2可延迟线粒体通透性转换孔开放，从而阻止心肌细胞I/R损伤。

2.4线粒体动力学与细胞凋亡

　　研究表明，共3个Bcl-2家族蛋白与I/R损伤有关，即Bax、Bak[42]和BH3结构域蛋白（Bnip3），它们介导了线粒体功能障碍、凋亡和细胞死亡。其中Bax/Bak与Mfn1和Mfn2通过BH3结构域相结合，Bax通过促进Mfn2的组装和改变mfn2的亚线粒体分布，从而诱导线粒体融合，改变膜的流动性特性。连续激活Mfn2表达可以抑制Bax与线粒体结合所引起的细胞色素C释放及细胞凋亡。在正常休眠细胞中Bak与Mfn2结合，而在细胞凋亡过程中，Bak与Mfn2的分离，抑制Mfn2的活性，导致线粒体分裂增加，细胞凋亡增加。心肌发生I/R时，Bnip3诱导心肌细胞线粒体碎片化及心肌细胞自噬增加，然而敲除Bnip3，虽然不影响心肌梗死面积，但可以减少左心室重构及左心室扩张，表明线粒体动力学蛋白与心室心室功能密切相关。

3.总结与展望

　　随着实验技术的发展，以及线粒体动力学变化及其调控机制研究的不断深入，线粒体在心血管疾病中受到了广泛的。线粒体动力学与缺血再灌注损伤是一个复杂的网络，各个环节并非孤立存在，其具体的作用机制仍需进一步研究阐明。通过多途径保护缺血再灌注后调控线粒体的结构和功能，为治疗冠心病等相关心血管疾病提供新的研究方向。

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