線粒體融合蛋白-2生物學功能及其在疾病中作用的研究進展

關飛，方克偉

(昆明醫科大學第二附屬醫院，昆明 650000)

線粒體融合蛋白-2生物學功能及其在疾病中作用的研究進展

關飛，方克偉

(昆明醫科大學第二附屬醫院，昆明 650000)

線粒體融合蛋白2(Mfn2)是線粒體外膜上的跨膜蛋白，普遍位于線粒體外膜和線粒體聯合內質網膜上。研究發現，Mfn2在細胞增殖、凋亡和自噬方面起重要調節作用，其表達異常和功能缺失在心血管疾病、腫瘤及腓骨肌萎縮癥等疾病的發生和發展中有重要作用。

線粒體融合蛋白2；細胞增殖；細胞凋亡；自噬；腓骨肌萎縮癥

線粒體融合蛋白2(Mfn2)是一種高度保守的跨膜GTP酶，其N端為p21ras共有模體和GTP結合區域，C端為疏水性跨膜區和PKA/PKC磷酸化位點[1]。跨膜區的上下游各有一段七肽重復序列(HR1/2)，類似卷曲螺旋結構，與線粒體聚集及核周聚集密切相關[2]。經證實，Mfn2除介導線粒體融合外，還在細胞增殖與凋亡、自噬等方面發揮作用[3,4]。因此，研究Mfn2作用的分子機制具有重要的理論意義，同時Mfn2在心血管疾病、腫瘤及腓骨肌萎縮癥(CMT)等疾病中起重要作用，并有可能使其成為這些疾病的潛在治療靶點。現就Mfn2生物學功能及其在疾病中的作用研究進展進行綜述。

1 Mfn2在細胞形態中的作用

1.1 細胞增殖 研究[5]發現，Mfn2過表達會阻礙細胞周期，使其停滯在G0/G1期，抑制多種細胞增殖，且加強抗癌基因的表達。Mfn2與Ras結合后阻礙Ras活化，從而阻斷ERK1/2的激活，進而致使細

胞周期阻滯于G0/G1期。Zhang等[6]的實驗證明Mfn2可以促進細胞周期蛋白激酶(CDK)抑制劑p21的表達，而CDK抑制劑的低表達可調節ERK1/2活化，故Mfn2可通過上調p21來阻礙ERK1/2的活化從而降低細胞增殖。而細胞周期蛋白酶抑制劑(CKI)高表達可致使細胞核增殖抗原(PCNA)低表達，從而使細胞周期停滯在G0/G1期[7]。另外，Rb在細胞G1期向S期的轉化中起調節作用，未磷酸化的Rb與轉錄因子聯合后，可降低細胞生物活性，使細胞G1期向S期的轉化過程受阻，從而導致細胞阻滯在G0/G1期。Mfn2可降低Rb磷酸化水平來調節細胞增殖。Chen等[4]研究內源性Mfn2對細胞增殖的調節作用及其結構特點對線粒體定位和細胞增殖的影響，發現內源性Mfn2基因可通過抑制Ras-Raf-ERK1/2信號通路及Ras、Raf-1的作用控制細胞生長。證明Mfn2是一種新的Ras效應分子，Mfn2的N端(AA 1～264)和C端(AA 265～757)片段分別通過不同的機制抑制細胞增殖：N端通過與Raf-1的相互作用抑制細胞增殖，而C端通過與Ras相互作用抑制細胞增殖。同時發現，Mfn2基因過表達可抑制B細胞淋巴瘤細胞系BJAB和RL的增殖，而敲除Mfn2會促進該細胞增殖，Mfn2可能是通過對ERK1/2和Raf-1的上游激酶的抑制作用來介導生長抑制。

1.2 細胞凋亡 細胞凋亡主要由線粒體通路、死亡受體活化通路和內質網通路這三條通路調控，線粒體通路是最普遍的凋亡機制。而Mfn2可依靠其結構和功能上的相關特性作用于線粒體通路，完成對細胞凋亡的調節。其中，Bcl-2家族蛋白在其中發揮著不可或缺的作用。Bcl-2家族中最重要的兩個家族成員為Bcl-2與Bax，Bcl-2通過維持線粒體的完整性從而抑制細胞色素C的釋放，而Bax能增強細胞色素C的釋放，釋放的細胞色素C與凋亡蛋白酶活化因子-1(Apaf-1)及Caspase-9酶原形成凋亡復合體活化Caspase-3誘發凋亡[8]。Pang等[9]研究顯示，Mfn2表達與Bcl-2表達呈正相關，與Bax表達呈負相關。Zhao等[10]發現Mfn2表達程度降低時，Bax表達程度會隨之升高；同時，Bax的易位可致使細胞色素C釋放，因此，Mfn2缺乏時可能引起細胞凋亡。Ras-PI3K-Akt通路也是調控細胞生長與凋亡的重要通路之一，Akt可磷酸化下游與凋亡相關的多個分子如Bcl-2家族、Caspase-3和Caspase-9，從而抑制細胞凋亡，與此相反，Akt磷酸化水平降低可以促進細胞凋亡。Zhang等[6]研究結果顯示，Mfn2誘導的細胞凋亡與磷酸化Akt的減少密切相關。

新近研究[11]表明，在人肺動脈平滑肌細胞中，miR-17通過與Mfn2的3′UTR相結合而抑制其表達，導致細胞活性下降，細胞凋亡增加，抗miR-17使Caspase-3表達升高而PCNA表達降低，且在敲除Mfn2后這些變化會變小，以上證明促凋亡和抗增殖作用可能是由于miR-17介導Mfn2上調引起的。Song等[12]證實，香煙煙霧提取物(CSE)刺激肺實質細胞，可降低細胞Mfn2表達，增加線粒體分裂蛋白Drp1表達，引起線粒體裂變碎片，而白藜蘆醇(RSV)可抑制Mfn2降解、促進線粒體融合增加、增強線粒體適應，從而使得支氣管上皮細胞免受CSE誘導的細胞凋亡而得到保護。

1.3 自噬 自噬是保持細胞內環境穩態的重要機制，且在疾病的發生發展方面有調節作用。Sebastian等[13]研究顯示，小鼠老化的特點是骨骼肌Mfn2逐漸減少和產生骨骼肌Mfn2消融的衰老相關基因，Mfn2缺乏將降低自噬并使線粒體質量受損，加劇與年齡相關的線粒體功能障礙。老化引起的Mfn2缺乏通過誘導HIF-1α轉錄因子和BNIP3觸發ROS依賴的適應性信號通路，此通路彌補線粒體自噬的損傷，并最大限度減少線粒體損傷，證實在老化過程中肌肉Mfn2抑制是阻礙線粒體自噬和線粒體累積損傷的決定因素。Mfn2通過維持線粒體質量控制和線粒體代謝效率來調節骨骼肌最佳生物特性[14]，Mfn2缺乏將會導致肌肉萎縮。在正常肌肉萎縮中Mfn2抑制可使線粒體自噬減少和線粒體損害增加，從而導致肌肉功能障礙和肌肉減少癥。Hailey等[15]研究顯示，在饑餓誘導的自噬體中線粒體膜與自噬體可以共享，Mfn2的缺乏將降低線粒體和內質網的連接緊密性，從而極大地損害饑餓誘導的自噬作用。故推斷Mfn2可能調節自噬體形成的初始階段。在心臟中，Mfn2可作為銜接蛋白調節心臟溶酶體-自噬體融合。另外實驗證實，在小鼠心臟敲除特異性Mfn2基因后，Mfn2缺乏可抑制自噬-溶酶體融合，造成多分子和功能缺陷，破壞心臟儲備，逐漸導致心臟脆弱和功能障礙[16]。因此得出結論，Mfn2參與并調節自噬體-溶酶體融合過程，且調控自噬體成熟進程。

2 Mfn2在疾病中的作用

2.1 心血管疾病 近年來隨著對Mfn2研究的不斷深入，發現Mfn2對心臟的動力學影響和功能性調控可能會成為治療心血管病的一個重要靶點。血管增殖性疾病，如動脈粥樣硬化、球囊血管成形術后再狹窄和靜脈移植性疾病，是嚴重心血管疾病最常見的原因。位于動脈被膜的血管平滑肌細胞(VSMC)過度增殖則是血管增殖性疾病的主要因素。研究[17]發現，Mfn2表達下調后，觀察到粥樣硬化動脈VSMC過度增生，腺病毒介導的Mfn2過表達抑制VSMC的血清依賴性增殖。證明Mfn2表達增高可抑制VSMC增殖。其機制為，Mfn2過表達影響Bcl/Bax的表達，增強細胞色素C的釋放從而激活Caspase-3活性，介導細胞凋亡。抑制Ras-PI3K-Akt通路也能產生同樣的結果。Mfn2在高血壓患者中異常表達，提示高血壓發病情況可能與Mfn2表達有關。臨床研究[18]發現，Mfn2在高血壓患者中表達降低，且其遺傳變異可能與男性高血壓有關。在心力衰竭過程中發現，大量的線粒體小片段與裂變增加和融合減少相一致，說明心力衰竭的發生可能與Mfn2介導的細胞凋亡相關[19]。此外，有研究[20]證明Mfn2在正常射血分數心力衰竭患者中顯著減少，也能導致運動不耐受。通過干預措施提高Mfn2表達、促進Mfn2表達功能在治療正常射血分數心力衰竭有著重要意義。Pei等[21]發現Mfn2消融加重心肌梗死后損傷，包括加重線粒體損傷和增加產生活性氧(ROS)。與此相反，Jagged1可改善線粒體結構和功能，減少ROS的產生和心肌梗死后損傷。Mfn2表達受心肌內Notch1的輕微調節，Mfn2缺失幾乎可以消除Jagged1對心肌的保護作用，顯著降低心臟功效，加重心肌纖維化與細胞凋亡，增加線粒體損傷和增強氧化應激活動。這些觀察表明Mfn2在預防心肌梗死誘導損傷中有不可或缺的作用，其機制可能涉及擾亂線粒體損傷破壞周期和ROS生成。

2.2 腫瘤 人類1號染色體短臂36.22是Mfn2定位點，該位點為惡性腫瘤的突變高發區，腫瘤患者該區域染色體都出現了缺失或易位[22]，提示Mfn2的異常表達或功能缺失可能是腫瘤發生發展的重要因素。

Zhang等[6]研究證實，Mfn2在胃癌腫瘤組織的表達比正常胃黏膜組織低且與腫瘤大小呈負相關，表明Mfn2具有抗腫瘤作用。體外試驗示Mfn2過表達抑制胃癌細胞的細胞增殖和集落形成，減弱癌細胞的侵襲和遷移能力，其機制可能是MMP-2、MMP-9的低表達阻滯細胞周期循環，導致細胞凋亡。蛋白免疫印跡法表明p21和PI3K/Akt信號參與其中。提示Mfn2是潛在的抗腫瘤基因，可作為今后胃癌治療的靶點。有研究者就Mfn2如何抑制癌癥的進程進行了深入研究，發現Mfn2基因敲除的MCF7、A549細胞可通過Crispr/Cas9促進癌細胞的細胞活力[23]。信號分析表明，哺乳動物雷帕霉素靶蛋白2(mTORC2)/Akt信號通路在癌細胞Mfn2基因敲除后升高，升高的mTORC2促進癌細胞的生長和轉移。Mfn2與Rictor直接相互作用可抑制mTORC2/Akt信號，mTORC2抑制劑明顯阻礙Mfn2缺失后腫瘤的生長作用。以上研究證實，Mfn2可通過抑制mTORC2/Akt信號通路延緩腫瘤進程，mTORC2抑制劑在治療Mfn2下調腫瘤患者中起重要作用。

在肝細胞癌患者中，Mfn2低水平表達者預后差。Mfn2高表達介導HepG2細胞凋亡，下調線粒體膜電位和內質網Ca2+濃度，并升高細胞內ROS和線粒體Ca2+濃度。細胞轉染Adv-Mfn2中MICU1和MICU2表達下調。在肝癌細胞中，Mfn2通過使內質網Ca2+進入線粒體誘導細胞凋亡[24]。Wu等[25]研究示，Mfn2 mRNA表達與性別、術前甲胎蛋白顯著相關，而與年齡、乙肝表面抗原、HBV-DNA復制，肝硬化、腫瘤數目、腫瘤大小、血管侵犯、淋巴結轉移、肝內轉移、肝包膜浸潤、分化、TNM分期無關，Mfn2高表達肝癌患者比低表達患者有更長的總生存期，Mfn2表達是肝癌患者的獨立預測因素。Zhou等[26]研究發現，肝細胞癌組織中miR-761升高而Mfn2降低，在體外，miR-761增強肝癌細胞的遷移和侵襲能力，而miR-761抑制劑則抑制肝癌細胞的增殖。故證實miR-761抑制劑介導肝癌細胞凋亡是通過促進Mfn2的表達來實現的。

膀胱癌是泌尿生殖系統常見的惡性腫瘤。Jin等[27]研究結果顯示，膀胱癌組織中Mfn2 mRNA和蛋白表達均明顯低于正常膀胱組織。Mfn2過表達在膀胱癌細胞有明顯的抗腫瘤效應，Mfn2使細胞周期由G1向S期的轉變過程發生停滯，上調的Caspase-3和PARP水平引起細胞凋亡。在白云等[28]對膀胱癌組織及甘妙平等[29]對腎癌的實驗中同樣得出相同的研究結果。以上研究皆提示Mfn2是膀胱癌的潛在抑制基因。

2.3 CMT CMT是一種最常見的遺傳性周圍神經病變，以四肢遠端進行性肌無力及感覺障礙為主要臨床特征，其發病率約為1/2 500。按照臨床癥狀與電生理特點，CMT可以分為CMT1型和CMT2型。線粒體和神經元之間的關系對于神經元的功能是必不可少的，因此線粒體生理缺陷可能導致神經退行性疾病，而Mfn2是線粒體功能的一個關鍵蛋白，從而推斷Mfn2突變與神經系統疾病有關[30]。目前報道有超過100例CMT2A是由Mfn2基因突變導致的[31]，這些突變主要位于GTP酶區和下游的HR1區。Mfn2蛋白的94位氨基酸殘基最容易發生突變，其密碼子突變為R94W和R94Q[30]，該位點位于GTP酶區上游，它被認為是突變的一個熱點區域。線粒體在細胞內的適當定位是至關重要的，特別是對神經元，它需要線粒體內的樹突和突觸末端通過ATP和緩沖鈣的產生來支持正常的神經功能[32]。有研究表明Mfn2基因突變改變線粒體融合，因此線粒體形態導致不同的球形或橢圓形的線粒體大小[33]，從而影響神經元的正常功能。線粒體融合與分裂平衡失調導致過度的線粒體分裂，從而改變線粒體易位和能量在突觸部位的產生，導致突觸功能障礙，樹突和軸突變性，因此產生神經退行性疾病[32]。而Mfn2功能缺陷是導致線粒體融合-分裂過程失衡的重要因素。另外有研究顯示，Mfn2突變可引起長時間運動和感覺軸突的特定變性，這很可能是因為遠離細胞體的高代謝區域對線粒體受損更為敏感[33]。新近有研究[31]發現，Mfn2編碼區730號核苷酸突變(c.730G>A/p.Val244Met)可能是CMT2A致病突變，但仍需要進一步調查。

隨著Mfn2研究的不斷深入和涉及領域的擴展，Mfn2的功能越來越受到重視。但目前仍有許多問題需要解決，例如Mfn2不同結構的功能是否有差異或者是否存在聯系，是怎樣通過調控細胞的生物學功能來參與生物過程的，除了已明確的信號通路外是否還有別的信號傳導通路，細胞生物學意義也有待進一步闡述。此外，可進一步了解Mfn2在疾病中的機制和作用，為相關疾病的治療提供新的見解及思路。

[1] Chen KH, Guo X, Ma D, et al. Dysregulation of HSG triggers vascular proliferative disorders[J]. Nat Cell Biol, 2004,6(9):872-883.

[2] 應嵐,盧中秋,姚詠明.線粒體融合蛋白2的結構與功能研究進展[J].生理科學進展,2016,47(2):108-112.

[3] Peng C, Rao W, Zhang L, et al. Mitofusin 2 ameliorates hypoxia-induced apoptosis via mitochondrial function and signaling pathways[J]. Int J Biochem Cell Biol, 2015,69:29-40.

[4] Chen KH, Dasgupta A, Ding J, et al. Role of mitofusin 2 (Mfn2) in controlling cellular proliferation[J]. FASEB J, 2014,28(1):382-394.

[5] 趙光舉,盧中秋,姚詠明.線粒體融合蛋白2研究新進展[J].生物化學與生物物理進展,2010,37(3):252-260.

[6] Zhang GE, Jin HL, Lin XK, et al. Anti-tumor effects of Mfn2 in gastric cancer[J]. Int J Mol Sci, 2013,14(7):13005-13021.

[7] Wang W, Zhu F, Wang S, et al. HSG provides antitumor efficacy on hepatocellular carcinoma both in vitro and in vivo[J]. Oncol Rep, 2010,24(1):183-188.

[8] 吳宗盛,盧中秋,姚詠明.線粒體融合蛋白2與細胞凋亡[J].醫學研究雜志,2012,41(1):12-16.

[9] Pang W, Zhang Y, Zhao N, et al. Low expression of Mfn2 is associated with mitochondrial damage and apoptosis in the placental villi of early unexplained miscarriage[J]. Placenta, 2013,34(7):613-618.

[10] Zhao N, Zhang Y, Liu Q, et al. Mfn2 Affects Embryo Development via Mitochondrial Dysfunction and Apoptosis[J]. PLoS One, 2015,10(5):e0125680.

[11] Lu Z, Li S, Zhao S, et al. Upregulated miR-17 Regulates Hypoxia-Mediated Human Pulmonary Artery Smooth Muscle Cell Proliferation and Apoptosis by Targeting Mitofusin 2[J]. Med Sci Monit, 2016,22:3301-3308.

[12] Song C, Luo B, Gong L. Resveratrol reduces the apoptosis induced by cigarette smoke extract by upregulating MFN2[J]. PLoS One, 2017,12(4):e0175009.

[13] Sebastian D, Sorianello E, Segales J, et al. Mfn2 deficiency links age-related sarcopenia and impaired autophagy to activation of an adaptive mitophagy pathway[J]. EMBO J, 2016,35(15):1677-1693.

[14] Sebastian D, Zorzano A. When MFN2 (mitofusin 2) met autophagy: A new age for old muscles[J]. Autophagy, 2016,12(11):2250-2251.

[15] Hailey DW, Rambold AS, Satpute-Krishnan P, et al. Mitochondria supply membranes for autophagosome biogenesis during starvation[J]. Cell, 2010,141(4):656-667.

[16] Zhao T, Huang X, Han L, et al. Central role of mitofusin 2 in autophagosome-lysosome fusion in cardiomyocytes[J]. J Biol Chem, 2012,287(28):23615-23625.

[17] Sorianello E, Soriano FX, Fernandez-Pascual S, et al. The promoter activity of human Mfn2 depends on Sp1 in vascular smooth muscle cells[J]. Cardiovascular Res, 2012,94(1):38-47.

[18] Wang Z, Liu Y, Liu J, et al. HSG/Mfn2 gene polymorphism and essential hypertension: a case-control association study in Chinese[J]. J Atheroscler Thromb, 2011,18(1):24-31.

[19] Givvimani S, Pushpakumar S, Veeranki S, et al. Dysregulation of Mfn2 and Drp-1 proteins in heart failure[J]. Can J Physiol Pharmacol, 2014,92(7):583-591.

[20] Molina AJ, Bharadwaj MS, Van Horn C, et al. Skeletal Muscle Mitochondrial Content, Oxidative Capacity, and Mfn2 Expression Are Reduced in Older Patients With Heart Failure and Preserved Ejection Fraction and Are Related to Exercise Intolerance[J]. JACC Heart Failure, 2016,4(8):636-645.

[21] Pei H, Du J, Song X, et al. Melatonin prevents adverse myocardial infarction remodeling via Notch1/Mfn2 pathway[J]. Free Radic Biol Med, 2016,97:408-417.

[22] 周立艷,邱梅清,賈勇圣,等.線粒體融合素基因-2與腫瘤[J].中國腫瘤生物治療雜志,2013,20(6):735-738.

[23] Xu K, Chen G, Li X, et al. MFN2 suppresses cancer progression through inhibition of mTORC2/Akt signaling[J]. Sci Rep, 2017,7:41718.

[24] Wang W, Xie Q, Zhou X, et al. Mitofusin-2 triggers mitochondria Ca2+influx from the endoplasmic reticulum to induce apoptosis in hepatocellular carcinoma cells[J]. Cancer lett, 2015,358(1):47-58.

[25] Wu Y, Zhou D, Xu X, et al. Clinical significance of mitofusin-2 and its signaling pathways in hepatocellular carcinoma[J]. World J Surg Oncol, 2016,14(1):179.

[26] Zhou X, Zhang L, Zheng B, et al. MicroRNA-761 is upregulated in hepatocellular carcinoma and regulates tumorigenesis by targeting Mitofusin-2[J]. Cancer Sci, 2016,107(4):424-432.

[27] Jin B, Fu G, Pan H, et al. Anti-tumour efficacy of mitofusin-2 in urinary bladder carcinoma[J]. Med Oncol, 2011,28 (Suppl 1):373-380.

[28] 白云,熊艷杰,楊文平,等.膀胱癌組織中線粒體融合蛋白2基因表達及意義[J].山東醫藥,2016,56(12):36-38.

[29] 甘妙平,李劍峰,鄭燕深.腎癌組織中線粒體融合蛋白2基因的表達及臨床意義[J].現代泌尿外科雜志,2016,21(9):673-675.

[30] Stuppia G, Rizzo F, Riboldi G, et al. MFN2-related neuropathies: Clinical features, molecular pathogenesis and therapeutic perspectives[J]. J Neurol Sci, 2015,356(1-2):7-18.

[31] Yang Y, Li L. A novel p.Val244Leu mutation in MFN2 leads to Charcot-Marie-Tooth disease type 2[J]. Ital J Pediatr, 2016,42:28.

[32] Haun F, Nakamura T, Lipton SA. Dysfunctional Mitochondrial Dynamics in the Pathophysiology of Neurodegenerative Diseases[J]. J Cell Death, 2013,6:27-35.

[33] Misko A, Jiang S, Wegorzewska I, et al. Mitofusin 2 is necessary for transport of axonal mitochondria and interacts with the Miro/Milton complex[J]. J Neurosci, 2010,30(12):4232-4240.

10.3969/j.issn.1002-266X.2017.38.035

Q26

A

1002-266X(2017)38-0106-04

云南省衛生和計劃生育委員會內設機構項目(2014NS048)；云南省衛生和計劃生育委員會醫學學科帶頭人培養項目(D-201615)；昆明醫科大學科技創新團隊項目(CXTD201605);云南省中青年學術和技術帶頭人后備人才項目(2017HB038)。

方克偉(E-mail: 2482099228@qq.com)

2017-06-12)