ATP合酶C亞基與線粒體通透性轉換孔的研究進展

劉媛媛 王 來

(河南大學生命科學學院 開封 475001)

線粒體膜功能的完整對于維持細胞的正常代謝至關重要。一般情況下，線粒體膜對轉運的物質具有高度選擇性，能維持膜兩側的電化學質子梯度，從而保證能量分子ATP的生成。然而，在病理情況下，線粒體膜發生通透性轉換(permeability transition，PT)，膜對物質的選擇性喪失，致使膜兩側電化學質子梯度消失，氧化磷酸化過程破壞，能量生成被迫停止。同時，線粒體內的細胞色素C、凋亡誘導因子(apoptosis-inducing factor，AIF)等促凋亡分子釋放到胞質，誘導細胞凋亡。線粒體通透性轉換孔( mitochondrial permeability transition pore，MPTP)是由多個蛋白質組成的貫穿線粒體內外膜的非選擇性孔道，介導線粒體通透性轉換。近年研究發現，線粒體內膜上的ATP合酶C亞基參與線粒體通透性轉換孔的形成。本文對ATP合酶C亞基組成的C-環結構、功能及參與線粒體通透性轉換孔形成和調控的研究進展進行綜述。

1 C-環與ATP合酶

1.1 C-環結構與ATP合酶 ATP合酶位于線粒體內膜上，參與細胞的氧化磷酸化過程，在質子流推動下，驅動ATP合成。ATP合酶由偶聯因子0(F0)和偶聯因子1(F1)兩部分組成，其中F1具有親水性，主要催化ATP的合成，在缺乏質子梯度的情況下呈現水解ATP的活性；F0則具有疏水性，嵌合于線粒體內膜上。F0的C亞基排列成圓環，被稱為C-環(C-Ring)，它實質是一個圓柱狀的疏水孔，也位于線粒體內膜上。C-環由8～15個C亞基組成，不同物種具有不同的C亞基數目。但在同一物種內，C亞基數目及C-環的相對分子量與結構都是高度保守的[1]。C亞基是組成C-環的基本單位，具有疏水性，通常呈發夾式結構。C亞基的氨基和羧基末端都發生α-折疊，并位于另一個亞基相同末端的兩側，形成同心圓結構。一些成環結構把這些同心圓連接起來組成一個大的中空圓環，即C-環[2]。偶聯因子0(F0)包括a、e、f、g、A6L和C-環等亞基，偶聯因子1(F1)包括三個拷貝的α與β亞基和一個拷貝的γ、δ和ε，以及沿a亞基延伸b、d、F6和寡霉素敏感蛋白(oligomycin sensitivity conferral protein ,OSCP)等亞基[3]。F1的γ亞基與ε亞基連接，并與F0的C-環相互聯系，位于中空的C-環內部，組成ATP合酶的轉子。而α、β、a和b亞基與δ亞基相互聯系，組成ATP合酶的定子[4]。OSCP與δ亞基的功能相似[5]。

1.2 C-環在ATP合成中的作用 C-環作為ATP合酶的結構成分，在ATP合成過程中發揮重要作用。細胞通過氧化磷酸化供能時，在電子傳遞鏈的作用下，線粒體內膜兩側形成質子電化學梯度，質子的轉運必須在ATP合酶的作用下完成。研究發現其跨膜通道位于a亞基與C-環之間，并且當質子通過該通道時會引起C-環的旋轉，這就會導致連接F1與C-環的中心亞基發生逆時針旋轉運動[6]，也可能是垂直于膜的往返運動[5]，進而把質子跨膜信號傳遞到F1，使其催化ATP的合成。

2 C-環與線粒體通透性轉換孔

2.1 C-環參與線粒體通透性轉換孔的形成 線粒體通透性轉換孔參與多種疾病的病理過程。實驗證明，環孢素A (cyclosporinA, CsA)、飽和脂肪酸(saturated fatty acids，SFA) 等分子可抑制該通道開放，從而緩解病癥的發生、發展。因此，線粒體通透性轉換孔的分子結構及調控機制受到廣泛深入的研究。早期研究認為，位于線粒體外膜上的電壓依賴性陰離子通道蛋白 (voltage dependent anion channel，VDAC)、內膜上的腺苷酸轉移酶 (adenine nucleotide translocator，ANT)、基質側的親環蛋白D(cyclophilin D，Cyp-D) 和磷酸轉運體(phosphate carrier，PiC)等蛋白可能是線粒體通透性轉換孔的重要結構成分。然而，將這些蛋白的基因分別敲除后發現，它們并不是構成線粒體通透性轉換孔的必需結構成分。

研究發現，ATP合酶中的C-環才可能是線粒體通透性轉換孔的主要結構和功能成分：把F0F1二聚體重建在脂質膜上并用鈣離子處理后，發現其可形成一個類似線粒體通透性轉換孔的活性通道[7]；構建在人工線粒體膜上的純化的C亞基或F0可以單獨形成離子通道[8]，而該通道可通過非特異性電流，并當有離子通過時其直徑會持續增大，這從側面證實C-環可以構建通透性轉換孔[9]；C亞基基因被敲除或沉默后，高濃度鈣離子不能再誘導線粒體通透性轉換孔的開放[10]。相反，C亞基的過表達會顯著增強線粒體的通透轉換作用[11]，說明C亞基構成的C-環可能參與線粒體通透性轉換孔的通透作用；C-環還具有形成通透性轉換孔的結構優勢，它鑲嵌于線粒體內膜并位于F1F0二聚體的外圍，獨立于中心部位，便于與其他亞基分離形成離子通道[11]。

Azarashvili等指出磷酸化的C亞基可以加快通透作用，使時間更短更有效，且可增強通透性轉換孔對陽離子選擇透過的敏感性，進一步證明C亞基可能是通透性轉換孔的組成成分。另外，對于所有具有相似氨基酸序列的C亞基，形成通透孔的能力是區分它們的重要特征[12]。當C-環與水接觸時結構由α-折疊變為β-轉角，促進離子通道的形成，所形成的離子通道直徑約為2.3 nm；當發生通透轉換作用時C-環的直徑會增大，可以允許分子量達1.5 kDa的分子通過，這與線粒體內膜發生滲透轉換作用的溶解物分子量基本一致[8]。Bernardi等指出，在C-環形成通道孔時，必須保持F1F0二聚體的結構完整性[13]。然而，干擾素-1(interferon 1，IF1)可以穩定F1F0二聚體的結構，保護線粒體形態和亞顯微結構，使細胞免受ATP合酶被抑制劑抑制所引起的細胞死亡。但是，它卻抑制了線粒體通透性轉換的敏感性[14]，說明C-環必須和F1分離才能形成通透孔，發揮通透轉換作用，推翻了Bernardi的說法。以上的研究結果均表明C-環參與線粒體內膜上通透性轉換孔的形成，但其詳細結構組成形式仍需進一步的實驗證明。

2.2 C-環參與線粒體通透性轉換孔的調控 在ATP合成過程中，C-環協同ATP合酶的轉子部分發揮作用；當ATP合成被終止時， C-環可通過結構形變發揮通透轉換作用。例如，當線粒體基質內鈣離子濃度超出一定范圍時，ATP合酶的F0與F1亞單位被迫分離，導致F1的γ等亞基脫離C-環，使后者成為一個通道孔，進而導致線粒體內膜發生通透轉換作用，引起細胞凋亡[8]。研究表明，把純化的C-環重建在脂質體上，發現鈣離子作用位點可能位于F1的β亞基，而不是F0的C-環上[15]。進一步研究發現，β亞基可堵塞C-環形成的離子通道孔[16]，而超大B細胞淋巴瘤因子(B-cell lymphoma-extra large，Bcl-xl)、ATP和ADP等分子均可作用于β亞基從而抑制C-環通道孔的形成[9]。Jonas等指出調控C-環通道孔開閉的分子作用于與F0相聯系的F1亞基、ANT或Cyp-D上，從而間接發揮調控作用[8]。最早研究認為，親環蛋白D通過結合寡霉素敏感蛋白抑制ATP合酶活性，而環孢素可抑制親環蛋白D的結合從而使酶活性恢復[7]。然而，將純化的C亞基構建在脂質膜上發現，在不受親環蛋白D的調控下，仍能發生通透轉換作用[9]。其他研究表明，腺苷酸轉移酶和磷酸轉運體具有調節C-環形成滲透轉換孔的能力[17]。但是，沉默或敲除磷酸轉運體基因后，發現并不影響線粒體內膜的通透轉換作用。

由此可見，這些已發現的調控MPTP的蛋白因子其具體作用機制仍存在不確定性，另外，或許還有一些參與調控的蛋白因子未被發現。因此，要徹底闡明通透性轉換孔的調控機制，仍需要進行深入的研究。

3 小結

近年來，對線粒體通透性轉換孔分子結構及調控機制的研究取得了巨大的進展，尤其是ATP合酶C亞基組成的C-環被證明是線粒體通透性轉換孔的關鍵結構分子。然而，C-環如何發揮對通透性轉換孔的調控作用，仍需要進一步的證實。而在ATP合酶催化ATP合成過程中，C-環如何參與及調控這個過程也需要進一步的闡明。若C-環作為通透性轉換孔的結構分子參與線粒體通透轉換的調控機制最終被闡明，那么ATP合酶就是一個控制著細胞生存與死亡的雙功能復合蛋白。一方面催化ATP的合成，為細胞提供能量，維持正常生理代謝；另一方面在某些條件刺激下又可通過C-環的形變構建線粒體通透性轉換孔促使細胞凋亡。對C-環在ATP合成中的作用和參與線粒體通透性轉換孔形成與調控機制的深入認識，不僅有助于闡明線粒體通透性轉換孔的實質結構和生理功能，而且有助于臨床上基于調控線粒體通透性轉換孔敏感性的藥物開發。

總之，組成ATP合酶的C-環由于其結構、位置以及功能的特殊性，在細胞的生命活動中具有至關重要的作用，扮演著不可替代的角色，是一個“神奇”的蛋白質。