MCU 及復(fù)合物與人類(lèi)相關(guān)疾病的研究進(jìn)展

趙楊，王培，楊穎 綜述，習(xí)瑾昆，賀永貴 審校

（1.華北理工大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，河北省慢性疾病基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，唐山 063000；2.華北理工大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，唐山 063000；3.華北理工大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院，河北省醫(yī)工融合精準(zhǔn)醫(yī)療重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，唐山 063000）

線(xiàn)粒體是（ATP）生成的重要場(chǎng)所，也是細(xì)胞Ca2+信號(hào)傳遞的積極參與者，它可以通過(guò)緩沖作用來(lái)維持細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平，當(dāng)胞質(zhì)內(nèi)Ca2+濃度升高時(shí)，線(xiàn)粒體有效地吸收Ca2+，以維持胞質(zhì)內(nèi)Ca2+濃度平衡，這種線(xiàn)粒體Ca2+吸收機(jī)制是由高選擇性的線(xiàn)粒體鈣離子單向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（mitochondrial calcium uniporter，MCU）及其復(fù)合物介導(dǎo)的[1]。MCU 功能受損，導(dǎo)致線(xiàn)粒體Ca2+超載，觸發(fā)細(xì)胞色素C 釋放，活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）過(guò)度產(chǎn)生，線(xiàn)粒體通透性轉(zhuǎn)換孔 （mitochondrial permeability transition pore，mPTP）開(kāi)放，線(xiàn)粒體腫脹，最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[2]。MCU及其復(fù)合物在疾病的發(fā)展過(guò)程中具有關(guān)鍵作用。因此，探究其作用與功能可能成為多種疾病治療的重要靶點(diǎn)之一，文中回顧了MCU 及MCU 復(fù)合物的功能，以及在不同疾病中的作用，以期為以后多種疾病的治療策略提供參考。

1 MCU

MCU 是重要的Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，在大多數(shù)真核生物中表達(dá)，在細(xì)菌基因組中也可檢測(cè)到MCU 同源物。MCU 蛋白由兩個(gè)跨膜螺旋與一個(gè)含酸性殘基的短環(huán)相連，MCU 是較大的MCU 復(fù)合物中的中心Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)通道，MCU 有助于線(xiàn)粒體Ca2+的吸收，以應(yīng)對(duì)細(xì)胞內(nèi)Ca2+的小幅度生理性升高和線(xiàn)粒體外Ca2+的大幅度升高[3]。MCU 單向轉(zhuǎn)運(yùn)Ca2+的作用在不同系統(tǒng)中得到了證實(shí)[4-6]，研究顯示，沉默MCU 可以抑制肝細(xì)胞線(xiàn)粒體Ca2+的吸收[4]，新生大鼠心肌細(xì)胞[5]、神經(jīng)元[6]中沉默MCU 也有類(lèi)似的現(xiàn)象。這證實(shí)了MCU 是Ca2+急性涌入線(xiàn)粒體基質(zhì)所必要的蛋白。

2 MCU 復(fù)合物

生理情況下，MCU 并非單獨(dú)發(fā)揮功能，它與其他蛋白分子結(jié)合，構(gòu)成線(xiàn)粒體Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)體復(fù)合物，從而共同參與線(xiàn)粒體Ca2+的轉(zhuǎn)運(yùn)。線(xiàn)粒體Ca2+單向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白復(fù)合體由核心通道蛋白MCU、線(xiàn)粒體鈣攝入蛋白（mitochondrial calcium uptake，MICU）、線(xiàn)粒體負(fù)性孔隙形成亞基（MCU regulatory subunit b，MCUb）以及其他線(xiàn)粒體鈣單向轉(zhuǎn)運(yùn)體調(diào)節(jié)蛋白（essential mitochondrial calcium uniporter tegulator，EMRE）共同組成[7]。圖1 為MCU 復(fù)合物示意圖。

圖1 MCU 復(fù)合物示意圖

2.1 MICU 家族 包括MICU1 和MICU2 兩個(gè)同源蛋白，其分子量為45～55 KD。MICU1 蛋白位于線(xiàn)粒體內(nèi)膜（inner mitochondrial membrane，IMM），而與Ca2+結(jié)合的兩個(gè)EF 臂結(jié)構(gòu)面向線(xiàn)粒體膜間隙（intermembrane space，IMS）。研究顯示，與Ca2+結(jié)合的EF 臂為MCU 通道活性調(diào)節(jié)器，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度下降，MICU1 使MCU 處于關(guān)閉狀態(tài)，防止Ca2+流入線(xiàn)粒體基質(zhì)；當(dāng)Ca2+濃度增加，MICU1 的EF 臂結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)MCU 開(kāi)放，使Ca2+流入線(xiàn)粒體基質(zhì)。因此，MICU1 發(fā)揮“守門(mén)員”的作用[8]。MICU2 蛋白位于IMS，廣泛分布于內(nèi)臟器官[9]。研究表明，MICU1、MICU2 與MCU 三者之間相互作用[8]，在HeLa 細(xì)胞中，MICU2 表達(dá)降低多由MICU1 的減少所致，而過(guò)表達(dá)MCU 會(huì)促進(jìn)MICU1 和MICU2 的表達(dá)[10]。

2.2 MCUb MCUb 是一個(gè)33 KD 的調(diào)節(jié)蛋白，其與MCU 序列相似性為50%。就蛋白拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而言，MCUb 與MCU 相似度極高，由于它具有N 端和C端均指向IMS 的兩個(gè)跨雙層膜的結(jié)構(gòu)域，因此MCUb 的表達(dá)水平較低。正常細(xì)胞中MCUb 的過(guò)表達(dá)會(huì)抑制線(xiàn)粒體Ca2+攝取[11]。

2.3 EMRE EMRE 是10 KD 的單通道跨膜蛋白，是構(gòu)成單向轉(zhuǎn)運(yùn)復(fù)合物的亞基，位于IMM 上且具有高度保守性，其C 末端區(qū)域富含有天冬氨酸。研究證明，EMRE 具有橋接作用，將處于IMS 的鈣離子感受蛋白MICU1、MICU2 和處于IMM 上的MCU 結(jié)合在一起[12]。EMRE 下調(diào)可使線(xiàn)粒體Ca2+水平顯著降低，提示線(xiàn)粒體Ca2+攝取需要EMRE 的參與[12]。

3 MCU 及復(fù)合物與人類(lèi)疾病

3.1 MCU 及復(fù)合物與腫瘤 線(xiàn)粒體Ca2+水平在腫瘤發(fā)生與發(fā)展中起著重要作用。MCU 在不同類(lèi)型癌癥中表現(xiàn)出不同的表達(dá)水平。MCU 在乳腺癌和結(jié)直腸癌中的作用得到了廣泛的研究，乳腺癌中，MCU高表達(dá)促進(jìn)了癌細(xì)胞上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移[13]。最近研究顯示，MCU 在癌細(xì)胞遷移和侵襲中發(fā)揮重要作用，MCU 表達(dá)與三陰性乳腺癌（triple negative breast cancer，TNBC）的腫瘤大小和淋巴結(jié)浸潤(rùn)有關(guān)[14]。敲除MCU 可以減弱癌細(xì)胞的侵襲能力，抑制腫瘤生長(zhǎng)，沉默MCU 可以抑制線(xiàn)粒體ROS 產(chǎn)生并降低低氧誘導(dǎo)因子（HIF）1-α 的表達(dá)[14]。在乳腺癌中，MCU水平與HIF1-α 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)呈正相關(guān)[15]。總之，MCUROS 的相互作用是TNBC 的一個(gè)重要調(diào)節(jié)因素，可以作為T(mén)NBC 治療的一個(gè)重要靶點(diǎn)。

在結(jié)腸癌中，MCU 的過(guò)度激活促進(jìn)了癌細(xì)胞的增殖，而MCU 的敲除和抑制可大大減少癌癥的發(fā)展，過(guò)表達(dá)MCU 及復(fù)合物可能有助于癌細(xì)胞的化療效果[16]。在胰腺癌和結(jié)腸癌中，MICU1 和MICU2的過(guò)度表達(dá)會(huì)降低線(xiàn)粒體Ca2+水平，并防止線(xiàn)粒體Ca2+超載誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡[17]。在胰腺癌中，組氨酸三聯(lián)體核苷酸結(jié)合蛋白（histidine triad nucleotide-binding protein，HINT2）能促進(jìn)細(xì)胞死亡，這與MCU 調(diào)節(jié)和Ca2+流入有關(guān)[18]。HINT2 的表達(dá)可抑制細(xì)胞凋亡，此作用被MCU 抑制劑釕紅所阻斷，而腺病毒載體過(guò)度表達(dá)HINT2 會(huì)增加線(xiàn)粒體的Ca2+，使MICU1 和MICU2 下調(diào)、EMRE 上調(diào)[18]。MCU 及其復(fù)合物在多種腫瘤中發(fā)揮作用，抑制其功能，可以緩解腫瘤的發(fā)展。

MCU 不僅參與腫瘤的發(fā)生與發(fā)展，也與類(lèi)癌癥疾病如肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞過(guò)度增殖、遷移和抵抗凋亡等密切相關(guān)，肺動(dòng)脈高壓（pulmonary aterial hypertension，PAH）時(shí)血管病變導(dǎo)致MCU 復(fù)合體受損，MCU 下調(diào)和MICU1 蛋白上調(diào)[19]。MCU 功能失調(diào)不僅使細(xì)胞內(nèi)Ca2+超載引起細(xì)胞增殖和遷移，而且還減少了線(xiàn)粒體Ca2+，從而抑制了丙酮酸脫氫酶和葡萄糖的氧化，而microRNA 介導(dǎo)的MCU 及復(fù)合物可以作為調(diào)控目標(biāo)，在疾病的早期階段，具有關(guān)鍵的指導(dǎo)作用[20]。MCU 及復(fù)合物與臨床多種腫瘤及相關(guān)疾病關(guān)系密切，其在不同腫瘤中的作用還需進(jìn)一步深入探究。

3.2 MCU 及復(fù)合物與神經(jīng)性疾病 神經(jīng)元作為可興奮的細(xì)胞，不斷發(fā)射動(dòng)作電位，并產(chǎn)生大量的Ca2+信號(hào)，以增加代謝需求來(lái)維持Ca2+的平衡。帕金森?。≒arkinson′s disease，PD）是由α-synuclein 在大腦中聚集而引起線(xiàn)粒體Ca2+超載、ROS 生成過(guò)多的神經(jīng)元損傷性疾病[21]。最近報(bào)道顯示，在PD 發(fā)病早期，抑制MCU 或MCU 復(fù)合物的功能，MICU1 可以被蛋白連接酶所降解，導(dǎo)致線(xiàn)粒體Ca2+吸收增多和細(xì)胞凋亡[22]。因此，MCU 或MCU 復(fù)合物在PD 發(fā)病過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。除了神經(jīng)退行性疾病外，MCU 及其復(fù)合物已被確認(rèn)在神經(jīng)肌肉疾病中發(fā)揮重要作用，MICU1 的缺失或突變誘發(fā)學(xué)習(xí)困難和進(jìn)行性運(yùn)動(dòng)紊亂，這些癥狀與線(xiàn)粒體Ca2+超載以及線(xiàn)粒體斷裂密切相關(guān)[23]。以上研究顯示，MCU 及其復(fù)合物在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中具有重要作用，適當(dāng)調(diào)節(jié)線(xiàn)粒體Ca2+攝取，維持鈣穩(wěn)態(tài)，可能是神經(jīng)性疾病的重大治療策略。

阿爾茨海默癥（Alzheimer′s disease，AD）為臨床上出現(xiàn)頻率最高的一種神經(jīng)退行性疾病，β-淀粉樣蛋白在AD 患者的腦組織中特異性積累，線(xiàn)粒體功能紊亂是AD 發(fā)生的重要特征[24]。β-淀粉樣蛋白在腦組織中的積累導(dǎo)致線(xiàn)粒體Ca2+攝取增加，導(dǎo)致細(xì)胞因興奮性中毒死亡[25]。研究顯示，用MCU 抑制劑釕紅抑制MCU 的作用，可以減緩AD 的發(fā)生[26]。MCU及其復(fù)合物在AD 中的協(xié)同作用機(jī)制還需要進(jìn)一步探究。

3.3 MCU 及復(fù)合物與心臟相關(guān)疾病 作為MCU復(fù)合物的核心通道，MCU 可以介導(dǎo)線(xiàn)粒體Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)，參與調(diào)控ATP 的生成[27]。ATP 生成可以由線(xiàn)粒體Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，為心肌提供能量[28]。

通過(guò)MCU 通道進(jìn)入的大量Ca2+可以使線(xiàn)粒體Ca2+超載，在缺血再灌注損傷條件下，導(dǎo)致持續(xù)的線(xiàn)粒體Ca2+攝取。這種線(xiàn)粒體Ca2+的持續(xù)性升高破壞了生理性的Ca2+出入循環(huán)而導(dǎo)致mPTP 激活[29]。mPTP 是一個(gè)電壓依賴(lài)性、高電導(dǎo)率的孔，橫跨線(xiàn)粒體外膜（outer mitochondrial membrane，OMM）、IMS、IMM 和基質(zhì)。觸發(fā)該孔的兩個(gè)已知因素是基質(zhì)Ca2+和ROS 的含量。mPTP 開(kāi)放導(dǎo)致質(zhì)子梯度的耗散，抑制ATP 的水解，水和溶質(zhì)迅速涌入，導(dǎo)致線(xiàn)粒體腫脹，最終導(dǎo)致細(xì)胞壞死[29]。mPTP 開(kāi)放是決定心肌損傷的一個(gè)關(guān)鍵因素，也是心肌保護(hù)的重要方向。課題組前期研究顯示，白藜蘆醇、鋅離子等均可以通過(guò)抑制mPTP 開(kāi)放發(fā)揮心肌保護(hù)作用[30-31]。Ca2+超載是誘發(fā)mPTP 開(kāi)放的重要因素之一，Ca2+內(nèi)流不斷增多導(dǎo)致胞質(zhì)Ca2+大量積累，隨著電化學(xué)梯度進(jìn)入到線(xiàn)粒體中，使得線(xiàn)粒體Ca2+超載進(jìn)而mPTP 開(kāi)放，抑制MCU的表達(dá)有助于減輕Ca2+超載所導(dǎo)致的mPTP 開(kāi)放[32]。

研究證實(shí)，在MCU 基因敲除小鼠中，對(duì)小鼠左冠狀動(dòng)脈結(jié)扎40 min 再灌注24 h 誘發(fā)心肌缺血再灌注損傷（myocardial ischemia/reperfusion injury，MI/RI），心肌肌鈣蛋白升高和心肌梗死面積增加，差速離心法分離線(xiàn)粒體并用分光光度計(jì)檢測(cè)mPTP 的開(kāi)放程度，在Ca2+增加后線(xiàn)粒體未腫脹且吸光度顯著降低[33]。上述結(jié)果提示，MCU 缺乏可抑制Ca2+進(jìn)入線(xiàn)粒體基質(zhì)，阻止mPTP 開(kāi)放，減弱MI/RI 誘發(fā)的心肌細(xì)胞的凋亡，發(fā)揮有效的心肌保護(hù)作用。而改善MI/RI，MCU 的緩慢調(diào)節(jié)并非可靠的方法，只有迅速抑制MCU 才有可能成為預(yù)防MI/RI 誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的治療方案[34]。也有研究認(rèn)為，心肌再灌注使MICU1表達(dá)降低，心肌梗死面積明顯增大，心肌細(xì)胞凋亡明顯增多。其機(jī)制可能是通過(guò)MICU1 抑制線(xiàn)粒體Ca2+超載來(lái)實(shí)現(xiàn)的[35]。

在心肌梗死中，心肌細(xì)胞缺血可以導(dǎo)致線(xiàn)粒體內(nèi)Ca2+超載并減少線(xiàn)粒體中MICU1 的表達(dá)[36]，因此，MICU1 可能通過(guò)抑制Ca2+超載緩解心肌缺血性損傷。研究還顯示，MCU 復(fù)合物相關(guān)蛋白EMRE 的過(guò)表達(dá)，加劇了心肌缺血性損傷，增加了心肌梗死面積，加快了心肌細(xì)胞的凋亡，其可能的發(fā)生機(jī)制與線(xiàn)粒體ROS 產(chǎn)生密切相關(guān)[37]。然而，MICU1 在心肌梗死中的具體機(jī)制，MICU1、EMRE 是如何通過(guò)MCU 調(diào)節(jié)心肌缺血性損傷還需要進(jìn)一步詳細(xì)研究。

線(xiàn)粒體Ca2+可以影響ATP 的生成和線(xiàn)粒體ROS 的產(chǎn)生，進(jìn)而引起線(xiàn)粒體功能障礙或心肌相關(guān)疾病。因此，維護(hù)線(xiàn)粒體能量代謝，控制其Ca2+超載、ROS 產(chǎn)生是預(yù)防心肌疾病的重要策略[38]。研究證實(shí)，MICU1 表達(dá)增加可以顯著減輕糖尿病小鼠的心室肥大，抑制線(xiàn)粒體ROS 的生成，說(shuō)明MICU1 具有改善糖尿病心肌病的心臟功能的作用[39]。MICU1 上調(diào)后應(yīng)用siRNA 干擾MCU 的表達(dá)，線(xiàn)粒體Ca2+攝取能力顯著降低，同時(shí)凋亡蛋白表達(dá)明顯上升[39]。上述研究表明，MICU1 可以通過(guò)MCU 抑制心肌細(xì)胞線(xiàn)粒體ROS 的生成，有效減少心肌細(xì)胞凋亡。而MCU的調(diào)節(jié)蛋白EMRE 的表達(dá)升高會(huì)引起線(xiàn)粒體Ca2+超載加劇ROS 的生成，ROS 線(xiàn)粒體釋放至胞漿，激活了下游的某些信號(hào)通路，使心肌細(xì)胞凋亡，最終導(dǎo)致糖尿病心肌病發(fā)生[40]。因此，MCU 及其復(fù)合物在心肌疾病中發(fā)揮重要作用。

綜上所述，MCU 及其復(fù)合物通過(guò)不同的機(jī)制對(duì)疾病產(chǎn)生多種影響，本文重點(diǎn)探討了MCU 和MCU復(fù)合物的特點(diǎn)和功能及其在協(xié)同介導(dǎo)Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)、線(xiàn)粒體Ca2+攝入中的重要作用。MCU 及復(fù)合物在腫瘤、神經(jīng)退行性疾病、心肌疾病中具有重要作用，表明調(diào)控MCU 及其復(fù)合物可能是疾病治療的新靶點(diǎn)。有鑒于此，需進(jìn)一步探討MCU 及其復(fù)合物與疾病的發(fā)生機(jī)制，為新藥研發(fā)提供新思路。