線粒體分裂融合與細胞氧化還原交互調控作用的研究進展

鄭義鵬，魏學敏， #，周慶彪，趙九洲 ， 張曉迪，孔德欽 ， 海春旭， *，于衛華，*

(1.空軍軍醫大學基礎醫學院學員隊，陜西西安710032；2.空軍軍醫大學軍事預防醫學院，軍事毒理學教研室，陜西西安710032)

線粒體分裂與融合過程是細胞生命過程中的基本事件。正常情況下，二者協同進行并保持動態平衡，以維持細胞內線粒體的數目、形態、結構和功能穩定[1]。而分裂融合的穩態異常均可導致細胞線粒體損傷，引起膜電位降低和自噬降解。研究表明氧化應激與線粒體損傷關系密切，二者互為因果，在多種生理和病理過程中發揮關鍵調控作用。然而，作為線粒體穩態和健康的重要調控機制，線粒體分裂融合與細胞氧化還原信號間的關聯尚未有明確結論。本文基于前期研究及文獻報道，對二者的相互調控關系及其潛在機制進行綜述。

1 線粒體分裂融合與細胞氧化還原概述

作為真核細胞氧化磷酸化代謝的主要場所，線粒體健康對于維持細胞結構功能具有重要意義。線粒體主要以“線”和“粒”兩種形式存在，彼此不斷相互轉化，處于動態平衡之中。線粒體分裂(mitosis)是指其雙層膜結構凹陷斷裂一分為二的過程；而線粒體融合(mitofusion)則指兩個獨立的線粒體通過彼此內外膜的錨定接觸，匯合為一個線粒體的現象。線粒體分裂增強或融合減弱，可導致其數目增多，長度變短，形態由管網狀轉變為碎片顆粒狀。線粒體分裂不足或融合過度，會導致線粒體形態延長，表現為管網狀形態增強。研究提示，線粒體形態可能決定了細胞內供應水平和呼吸代謝方式。融合態線粒體的內部嵴結構豐富，電子傳遞鏈相關復合物接觸緊密，氧化磷酸化效率較高。而處于分裂態的線粒體，內部嵴結構破壞，表現為氧化磷酸化減弱和糖酵解代謝增強。在細胞增殖過程中，線粒體發生顯著分裂，呈現顆粒狀并平均分配到兩個子代細胞，細胞復制完成后恢復正常管網狀形態[2]。因此，線粒體融合與分裂間的失衡引起其結構功能異常，并影響細胞乃至機體的健康。因而，在腫瘤、肝臟病變、神經性病變和缺血再灌注損傷等病理過程中都觀察到線粒體的分裂融合失衡，調節其穩態可改善疾病的發生和發展進程[3-4]。

氧化還原是生物體內最基本的化學反應過程。在生理和病理條件下，機體細胞可生成大量活性氧(reactive oxygen species，ROS)，主要包括過氧化氫(H2O2)、超氧陰離子自由基(O-.)和羥自由基(HO·)等。且細胞內ROS反應存在自由基連鎖放大效應，彼此之間可以相互轉化。為避免細胞遭受ROS損傷，機體內存在一套有效的抗氧化體系，可對細胞內ROS水平進行精密調控，維持氧化還原平衡。其中，核轉錄因子Nrf2是細胞內對抗氧化損傷的重要調控分子，Nrf2可通過與細胞核內抗氧化元件結合，啟動下游過氧化氫酶、超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶和血紅素加氧酶1等抗氧化酶譜，清除體內多余自由基[5]。但在外界不利刺激和病理狀態下，機體ROS生成增多，并逐步抑制或耗竭機體抗氧化系統，最終造成體內氧化還原平衡紊亂，導致氧化損傷。研究發現ROS在機體中具有廣泛的生物學作用，且其功能依賴于其存在的位置、種類和劑量。低劑量的ROS可作為信號分子參與細胞內多種生命過程調控，包括增殖、分化和代謝[6]。而高劑量ROS會對蛋白質、脂質和核酸等造成過氧化修飾，進而引起細胞的代謝紊亂、凋亡和壞死[7]。因此，氧化還原平衡紊亂與多種疾病發生發展密切相關，包括腫瘤、炎癥、2型糖尿病、缺血再灌注損傷和神經系統疾病等[8-10]。通過抗氧化干預探索疾病發生機制以及治療策略，是近年來臨床和基礎研究的熱點。

2 氧化應激與線粒體損傷

線粒體在進行氧化磷酸化代謝中會產生大量的電子漏出，并與氧氣結合形成。研究表明，正常細胞內單個線粒體平均每天產生3×個，而在線粒體損傷狀態下電子漏出和ROS生成將進一步增多。近年來研究提示，線粒體不僅是ROS的生成場所，也是ROS的重要攻擊靶點。線粒體的雙層膜結構含有大量的不飽和脂肪酸，極易受到和HO·等ROS的攻擊，造成細胞膜的脂質過氧化和流動性降低，進而影響其結構功能穩定。同時，線粒體DNA缺乏組蛋白保護，且與氧化磷酸化場所(線粒體內膜)相距甚近，極易受到自由基的攻擊，從而引起線粒體功能障礙，最終造成細胞的衰老與死亡。因而，線粒體損傷和ROS生成過程相互促進，即ROS可引起線粒體結構功能損傷，而損傷的線粒體又會進一步引起ROS釋放增加，形成惡性循環。合理使用抗氧化劑可有效抑制多種途徑誘導的線粒體損傷，從而改善氧化還原平衡穩態。

3 線粒體分裂融合的分子調控機制

線粒體分裂和融合過程依賴于一系列GTPases水解酶的動力作用，通過改變線粒體膜構象，實現對線粒體數目、形態和功能的精確調控[11]。線粒體分裂相關蛋白主要包括動力相關蛋白1(dynamin-related protein1，Drp1)和分裂相關蛋白1(fission1，Fis1)。在線粒體分裂時，Drp1表達升高，發生磷酸化改變，并集合到線粒體外膜的分裂位點上形成環狀結構[13]。最終，通過GTP水解作用發生構象改變，收縮線粒體，為后續Fis1介導的分裂過程作重要準備，且整個過程需要消耗ATP。因此，Drp1介導的外膜凹陷收縮是線粒體分裂的第一步，也是最關鍵的一步，其表達和活性決定了細胞線粒體的穩態。哺乳動物線粒體外膜融合過程主要由線粒體融合相關蛋白1(mitofusion1，Mfn1)和蛋白2(mitofusion2，Mfn2)介導，而內膜融合主要依賴于視神經萎縮蛋白1(optic atropy1，OPA1)，整個融合過程都需要消耗ATP[11]。研究證實，Mfn1和Mfn2敲除小鼠成纖維細胞，線粒體融合減弱，由管網狀結構轉變為碎片化[14]。

線粒體分裂融合相關蛋白的表達決定了其結構功能穩態，并在機體多種生命活動和疾病中發揮關鍵作用。線粒體分裂相關蛋白表達減弱，會導致能量合成障礙，造成細胞分裂抑制、精子活力降低和肌肉無力。而線粒體分裂蛋白過度表達，也會影響細胞的鈣穩態和氧化還原平衡，參與凋亡和細胞衰老過程[15]。Drp1依賴的線粒體分裂增強，可促進細胞色素C釋放和凋亡小體形成，而敲除Drp1可阻斷多種因素誘導的細胞凋亡[16-17]。線粒體融合對于胚胎發育具有重要意義，M fn1或Mfn2基因敲除小鼠在妊娠中期會出現胎盤發育缺陷而死亡，而雙敲除小鼠在發育中死亡更早[18]。OPA1的突變或缺失容易引起遺傳性視神經功能萎縮。同時，線粒體的融合增強是腫瘤細胞適應營養缺乏環境的重要機制，能夠通過影響調控重編程抑制腫瘤細胞的凋亡。因此，線粒體分裂融合穩態是維持機體細胞結構功能穩態的重要基礎，一旦平衡被打破，則有可能引起細胞損傷和機體病變。

4 ROS信號在線粒體分裂融合轉換中的關鍵作用

大量研究證實，在多種疾病研究模型中都觀察到了氧化還原信號和線粒體分裂融合的平行性變化，提示二者之間具有關聯性[19]。例如，線粒體復合物Ⅰ活性的顯著降低，會導致人原代成纖維細胞內ROS升高和線粒體長度縮短[20]。外源性HO刺激會導致Mfn1或Mfn2的降解增強，導致線粒體融合減弱[21]。骨骼肌細胞內ROS水平的升高會導致線粒體膜電位的崩解，并最終引起線粒體碎片化[22]。而增加細胞內一氧化氮(NO)水平，則可促進Drp1依賴的線粒體分裂。相反，采用抗氧化劑Trolox可促進成纖維細胞線粒體融合，增強線粒體管網狀結構和氧化磷酸化水平[23]。清除NO可促進人肺動脈內皮細胞線粒體的融合過程。然而，果蠅創傷模型中高劑量ROS可促進Drp1依賴的線粒體分裂和破碎，而低劑量ROS會增強線粒體的融合和管網狀變化。目前，低劑量ROS對線粒體的影響尚不確定，大部分結論認為低水平ROS不會改變線粒體形態結構，也有研究認為低劑量ROS可促進線粒體融合。還原型谷胱甘肽(glutathione，GSH)是細胞內重要的抗氧化劑，GSH降低可導致線粒體和細胞質氧化產物蓄積。在人成纖維細胞中，耗竭GSH可引起線粒體的分裂增強和長度縮短[24]。但也有報道提示，HeLa細胞中GSH水平降低可促進線粒體融合，并對線粒體凋亡和自噬具有一定的保護作用[25]。造成這種差異的原因可能涉及研究中GSH的降低程度不一致，同時不同種類細胞的抗氧化能力也存在差異，最終影響了細胞內氧化還原平衡和線粒體穩態。因此，我們認為ROS信號可擾亂線粒體的分裂融合過程，高劑量ROS可促進線粒體分裂和功能紊亂，而清除多余ROS則會導致線粒體由分裂態向融合態轉變。

研究表明ROS參與了線粒體分裂融合關鍵蛋白的表達調控和翻譯后修飾。因此，我們總結了ROS信號與分裂融合相關蛋白Drp1、Mfn1、Mfn2和OPA1的調控作用。NO可以促進神經元細胞中Drp1的亞硝基化修飾，增強GTPase水解活性和線粒體分裂[26]。淀粉樣蛋白 β可通過生成ROS，促進神經小膠質細胞Drp1的絲氨酸616位點磷酸化修飾，進而調控線粒體分裂和碎片化[27-28]。同時，ROS可通過cAMP依賴蛋白激酶A(PKA)調控Drp1的磷酸化。線粒體內膜融合蛋白OPA1可以在NO作用下發生亞硝基化修飾。活性氧調節蛋白1可影響OPA1的寡聚化和活性，在維持線粒體融合中發揮重要作用[29]。此外，ROS通過c-Jun氨基末端激酶途徑介導線粒體外膜融合蛋白Mfn2的磷酸化[30]。因此，ROS信號可能在線粒體分裂融合調控中發揮了關鍵作用。

5 線粒體分裂融合對細胞氧化還原穩態的調節作用

作為線粒體穩態調控的重要機制，線粒體分裂融合可能參與調控細胞氧化還原。研究表明，分裂增強可引起線粒體結構功能的改變，影響線粒體復合物活性和電子傳遞，最終導致電子漏出和ROS生成。抑制Drp1可抑制缺血再灌注小鼠心肌和血管內皮細胞的氧化應激和凋亡，改善心臟功能[31-32]。線粒體分裂可通過影響鈣穩態平衡調控腫瘤細胞ROS水平，并促進癌細胞的遷移。線粒體分裂抑制劑可抑制星形小膠質細胞的氧化損傷[33]。我們在炎癥模型中，給予Drp1抑制劑可有效阻斷脂多糖誘導的巨噬細胞ROS水平升高和炎癥反應。而線粒體融合可以促進基因缺陷和損傷線粒體的功能修復，減少電子漏出，抑制ROS生成[34]。2016年《Cell》雜志報道表明，T細胞中線粒體分裂增強可促進糖酵解代謝和ROS水平升高，調控其向效應T細胞轉化；而線粒體融合增強可促進氧化磷酸化氧化還原平衡，調控其向記憶T細胞分化[35]。因此，線粒體分裂融合可能參與細胞氧化還原調控過程，分裂過程增強促進細胞ROS水平升高，而融合增強則會抑制ROS生成。

6 線粒體分裂融合與細胞氧化還原交互調控機制

線粒體通過不斷的分裂融合過程維持自身穩定，分裂增強會引起線粒體碎片化，而融合會促進線粒體管網狀結構增強。大量細胞和體內研究表明，細胞內氧化還原穩態與線粒體動力學變化密切相關，二者之間存在交互調控作用。如圖1所示：一方面，在病理和不利因素刺激作用下，線粒體發生過度分裂和碎片化，電子傳遞鏈遭到破壞，導致大量電子漏出和ROS生成。而線粒體的融合增強，可提高呼吸鏈相關蛋白活性，修復損傷線粒體，改善氧化應激水平。另一方面，ROS和活性氮(RNS)可調控分裂融合相關蛋白的表達和修飾，進而對線粒體形態和功能產生影響。同時，給予抗氧化劑可抑制線粒體分裂，促進線粒體融合和管網狀結構增強。因此，線粒體分裂融合與細胞氧化還原穩態存在循環性交互作用，闡明其相互關系有助于深刻認識氧化損傷和線粒體功能障礙疾病的發生發展機制，為相關疾病防治提供新的思路和策略。

圖1 線粒體分裂融合與細胞氧化還原交互調控機制

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