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线粒体融合、分裂与心肌缺血再灌注损伤的研究

    更新时间:2018-01-17 03:13:28 

许美芬 梁玲芝 赵磊 陈贤君

[摘要]线粒体是真核细胞中一种高度动态变化的细胞器,这种网络结构的动态平衡受线粒体融合蛋白1/2(Mfn1/2),视神经萎缩蛋白1(OPA1)和动力相关蛋白1(Drp1)的调节,并对线粒体的结构和功能有着重要的作用。心肌细胞因其高耗能性而富含线粒体,线粒体融合、分裂的动态平衡在心肌细胞的能量代谢过程中起着关键的作用。目前的研究普遍认为,心肌细胞能量代谢障碍是心肌缺血再灌注损伤的始发环节。因此,由线粒体融合、分裂异常引起的功能障碍与心肌缺血再灌注损伤密切相关。

[关键词]线粒体;融合与分裂;心肌细胞;缺血再灌注损伤

中图分类号:R3632;R5418文献标识码:A

线粒体在真核生物细胞内主要通过氧化磷酸化作用,合成三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)为各种生命活动提供能量,是细胞的能量工厂。细胞内线粒体是一种处于高度运动状态不断进行融合与分裂过程的细胞器,它会随着细胞的不同生理状态而发生适应性的改变[1]。线粒体融合、分裂之间的动态平衡对细胞正常生理功能,尤其是高能量需求的心肌细胞更为重要,这是因为线粒体占了心肌细胞总体积的30%,经氧化磷酸化作用每天可产生6kg左右的ATP以维持心脏的正常功能[2],这足以证明线粒体融合、分裂在心肌细胞的能量代谢过程中是至关重要的[3]。目前的研究认为,心肌能量代谢障碍是心肌缺血再灌注损伤(ischemia reperfusion injury,IRI)的始发环节[4],而相关的研究证实,由线粒体融合、分裂异常引起的线粒体功能障碍与IRI密切相关。

1线粒体融合、分裂相关蛋白的分子结构

11线粒体融合相关蛋白的分子结构:线粒体是一种多功能、双层膜结构的半自主性细胞器,它的融合包括线粒体外膜(outer mitochondrial membranes,OMM)的融合和线粒体内膜(inner mitochondrial membranes,IMM)的融合。在哺乳动物中,线粒体外膜融合的分子学基础是Mitofusin1(Mfn1)和Mitofusin2(Mfn2),两者具有相似的分子结构,即N_末端保守的三磷酸鸟苷(guanosine triphosphate,GTP)酶结构域、C_末端的跨膜结构域(transmembrane domain,TMD)及TMD两侧的1个疏水基团,即卷曲螺旋式的七肽重复序列(heptad_repeat domain,HR1/2)。在线粒体外膜融合过程中,2个邻近线粒体外膜上的Mfn1和Mfn2相互连接以启动线粒体外膜的融合。视神经萎缩蛋白1(OPA1)介导线粒体内膜的融合,其含GTP酶结构域,中间区和GTP酶效应结构域这三个保守的结构域。研究证明,OPA1在线粒体融合过程中,既能保证线粒体内膜结构的稳定,还可参与线粒体嵴的重构[5]。

12线粒体分裂相关蛋白的分子结构:在哺乳动物中,一种分子质量为80kD的动力相关蛋白1(dynamin_related protein1,Drp1,酵母中为Dnm1)参与线粒体的分裂过程[2,6]。Drp1是一种可溶性胞质蛋白,含N_末端的GTP酶结构域,中间区的Dynamin同源结构域和C末端的GTP酶效应结构域,经以螺旋微丝的方式缠绕于线粒体的微管周围。细胞质中的Drp1介导线粒体的分裂过程,它在线粒体外面形成一个环形结构,并进一步收缩,将线粒体分成两个子线粒体[1]。近来的研究发现,线粒体分裂蛋白1(fission 1,Fis1),线粒体分裂因子(mitochondrial fission factor,Mff)和线粒体动力蛋白Mid49/51(mitochondrial dynamics protein of 49 and 51 kD)有利于Drp1的募集,且它们作为受体样蛋白可单独将Drp1募集至线粒体外膜而互不影响[7,8]。Fis1是一种分子质量为17kD的小分子蛋白,其N_末端暴露于细胞质,含多种TPR基序(Tetratricopeptide repeat motif),经C_末端的TMD锚定于线粒体外膜,通过与Drpl相互作用,促进线粒體分裂。Mff与Fis1类似,也是通过C_末端的TMD嵌入线粒体外膜。Fis1和Mff除募集Drp1外,它们还可以在线粒体分裂过程中,促进Drp1在线粒体外膜自主装呈螺旋结构[8]。一个有趣的研究结果是Mff和Mid49/51在线粒体外膜Drp1的GTP酶活性上具有截然不同的作用效果,Otera等[9]的研究表明,Mff能将Drp1募集至线粒体外膜以促进线粒体的分裂,且过程并未受到Fis1的影响或调节;而Mid49/51却能抑制Drp1的GTP酶活性[10]。研究发现线粒体蛋白18(mitochondrial protein of 18 kD,MTP18)、神经节苷酯诱导分化相关蛋白1(ganglioside_induced differentiation_associated protein_1,GDAP1)、endophilin B1(Endo B1)和LRRK2可能有促进线粒体分裂的作用,但它们发挥作用的具体机制还有待进一步研究。

2线粒体融合、分裂与心肌细胞的关系

线粒体通过形态改变以适应细胞周围环境的变化,而线粒体形态变化与线粒体融合、分裂的平衡有关[11]:当抑制线粒体分裂,线粒体融合占优势时,线粒体呈现长管网状结构且网络化程度增强;当抑制线粒体融合,线粒体分裂占优势时,线粒体发生片段化,出现短棒、圆球状线粒体。由此可见,线粒体融合、分裂对其结构和功能是至关重要的,而线粒体结构和功能的完整性是心肌保护的核心[12]。研究表明,线粒体融合和分裂相关蛋白在成人心肌细胞中具有高表达性[13],敲除成人心肌细胞中Mfn1和Mfn2基因将产生片段化的线粒体[14,15],而敲除Drp1基因可产生延长的线粒体[14,16],证实线粒体融合、分裂过程在成人心脏中是普遍存在的。与成人心肌细胞线粒体相比,心脏干细胞的线粒体和胚胎或发育心肌细胞的线粒体具有更高的动态性,彼此之间的联系也更为紧密[17,18]。事实上,线粒体重构对心肌细胞分化具有潜在的影响,这是由于线粒体外膜蛋白Mfn1和Mfn2、线粒体内膜蛋白OPA1和线粒体分裂蛋白Drp1都参与线粒体的重构过程,扰乱线粒体重构可以影响心肌细胞和成人肌细胞的分化。因心肌细胞需定期频繁收缩而富含线粒体,线粒体融合、分裂的动态平衡不仅有利于线粒体之间的交流与沟通,而且在维持心肌细胞正常的收缩功能及能量代谢中也发挥重要的作用[19]。因此,干预心肌细胞线粒体的融合、分裂过程可能是治疗心脏疾病的一个潜在靶点。

3线粒体融合、分裂与心肌缺血再灌注损伤

急性心肌梗死发病率呈逐年攀升现象,尽管临床上溶栓、介入等治疗方法不断得到改善,但有时未必能及时使缺血的心肌功能恢复,反而加重心肌的功能障碍和结构损伤等,即心肌细胞缺血再灌注损伤等,这也是其死亡率居高不下的主要原因。线粒体结构和功能的完整性是心肌保护的核心,在某些病理生理性改变如缺血或再灌注时,其结构和功能的紊乱很可能是IRI的重要原因。

31线粒体融合与IRI:线粒体融合通过稀释线粒体受损蛋白或使正常的线粒体DNA进入有缺陷的线粒体从而起到保护作用。近来关于HL_1心肌细胞、新生啮齿动物心肌细胞和成年啮齿动物心肌细胞中Mfn1、Mfn2和OPA1对急性IRI的易感性研究结果不尽相同。Ong等[20]在HL_1细胞系上的研究表明,Mfn1或Mfn2过表达能抑制线粒体膜通透性转换孔(mitochondrial permeablity transition pore,mPTP)的开放,减少心肌缺血再灌注损伤后的细胞死亡。急性IRI时,新生啮齿动物心肌细胞中缺乏Mfn2将增加细胞的死亡数[21],而在成年啮齿动物心肌细胞中Mfn1或Mfn2的缺乏能降低mPTP的开放和细胞的死亡数[22],但若同时缺乏Mfn1和Mfn2,将引起线粒体的片段化,致使线粒体的呼吸功能下降、心肌收缩功能的损伤,也将降低mPTP的开放和急性IRI后心肌细胞的梗死面积[23]。造成上述研究结果的原因是可能与Mfn2的多效性有关,在Mfn1和Mfn2双缺失的DKO小鼠心肌中,Mfn2的缺失引起肌浆网和线粒体两者之间的距离变远,减少急性IRI后线粒体的钙超载量,这在某种程度上有助于DKO小鼠表型的保护。这些研究提示我们在急性IRI时,急性抑制Mfn2可能是心肌保护的一种新策略。Chen等[24]研究半敲除OPA1(+/-)基因的小鼠心肌细胞,发现线粒体嵴异常和线粒体网络组织紊乱,这将引起活性氧(reactive oxygen species,ROS)产物的增加和线粒体DNA的减少,最终致使线粒体功能障碍。关于H9c2细胞系的研究表明,在缺血环境的心肌细胞中发现OPA1表达明显下降,产生片段化的线粒体[25],且OPA1基因的部分敲除也能延迟mPTP开放,但其对心肌缺血再灌注损伤的影响还有待进一步探讨[26]。综上所述,线粒体融合与IRI之间的相互作用是相当复杂的,还需要更深入的分析。

32线粒体分裂与IRI:线粒体分裂引起线粒体能量代谢异常,促进心肌细胞的凋亡和自噬,致使心肌梗死后心室的重构。Wang等[27]研究发现,小鼠心肌细胞胞浆中Drpl蛋白水平及其磷酸化蛋白水平均降低,而线粒体外膜Drpl蛋白水平却升高,这表明在IRI过程中,miR_499水平能影响细胞凋亡和心肌梗死的程度,其表达量下降引起钙调磷酸酶的活化,促进Drp1的去磷酸化,产生片段化的线粒体。Ong等[28]在HL_1细胞系上的研究指出,采用mdivi_1抑制Drp1能增加心肌细胞中延长线粒体的比例,延迟mPTP开放,减少急性IRI诱导的细胞死亡并降低IRI导致的心肌梗死面积。诸多的研究证实,采用mdivi_1抑制Drp1易位至线粒体,能保护新生小鼠的心肌细胞与成年小鼠的心脏,表明在IRI时,抑制Drp1具有潜在的治疗效果[29,30]。Pim_1属于钙调蛋白依赖性蛋白激酶家族,其基因表达能保护梗死后的心肌组织和细胞免于凋亡,且表达量的减少能增加因IRI而产生的心肌梗死面积[31]。Disatnik等[32]指出,P110是Drp1的一种特殊酞酶抑制剂,能在成年大鼠的再灌注时抑制线粒体分裂,降低心肌梗死的面积,防止心肌梗死后不良左心室的重构,改善线粒体能量代谢能力和缺血性损伤后的心脏功能。目前的研究指出,在急性IRI时,急性抑制线粒体分裂能达到保护心肌细胞的作用,而慢性抑制Drp1可能对心脏是不利的,這是由于线粒体分裂对清除受损的线粒体是必不可少的过程[33,34]。Ikeda等[35]很好地证明了当有条件性的敲除心脏特异的Drp1可以诱导线粒体的延长,抑制线粒体的自噬,增加细胞线粒体通透性转换孔(mPTP)开放的易感性,引起心肌病并增加心肌梗死的面积。有研究表明[36],miR_484可结合Fis1转录子的氨基酸编码区以抑制Fis1的表达,从而抑制线粒体分裂,更重要的是,miR_484水平能影响线粒体的分裂,凋亡和心肌梗死程度。以上的研究表明,抑制线粒体分裂在IRI时可能是心肌保护的一种新的治疗策略。

4结论与展望

线粒体在心肌的能量代谢中处于核心地位,在肌质网、肌丝及T管周围形成复杂的网络系统,这种特殊的空间架构使得线粒体与心肌肌丝运动所需的能量消耗、心肌细胞的兴奋-收缩偶联密切相关,若氧化呼吸链上的中间代谢产物出现异常,将打破线粒体的稳态,并进一步影响多条氧化还原相关的信号通路。由此可见,线粒体能够通过“牵一发而动全身”的效果影响着心肌细胞的功能。目前的研究普遍认为,心肌能量代谢障碍是心肌缺血再灌注损伤始发环节[4]。在IRI时,线粒体融合能最大限度地提高氧化磷酸化合成ATP的能力,有利于心肌细胞的保护,而抑制线粒体分裂能防止心肌细胞的凋亡和自噬。若选择以线粒体融合、分裂作为靶向治疗IRI时,有些问题仍需考虑,如Mfn2和OPA1的多效性,Mfn2是线粒体和内质网的代谢的桥梁,且对线粒体自噬是至关重要的;除了稳定线粒体内膜的结构和嵴的重构,OPA1还能调控线粒体细胞色素C的释放使其易于凋亡,并通过呼吸复合体促进线粒体能量的产生,这些作用可能比促进线粒体融合更为重要。值得注意的是,尽管急性抑制线粒体融合、分裂蛋白可能在心血管疾病中具有一定的治疗效果,但是若慢性长期抑制线粒体融合、分裂蛋白可能对心肌细胞是不利的,具体的机制仍待进一步探索。

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