MFN2調控線粒體動態變化的研究進展

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　　[摘要] 線粒體通過自噬清除受損或多余線粒體以維持線粒體穩態。線粒體分裂融合是線粒體自噬的基礎，線粒體融合蛋白-2（MFN2）參與調節線粒體分裂融合。MFN2突變會引起線粒體功能障礙，導致腓骨肌萎縮等神經退行性疾病。本文主要綜述了近年來MFN2功能及其在線粒體自噬及神經退行性疾病領域所取得的研究進展，旨在為相關領域進一步的研究提供參考。
　　[關鍵詞] 線粒體融合蛋白-2；線粒體；線粒體自噬；神經退行性疾病
　　[中圖分類號] R363 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673-7210（2019）05（a）-0042-04
　　Advances in the regulation of mitochondrial dynamic Changes by MFN2
　　LIN Xiaoying1 HUANG Haofeng1 CHEN Hao2 LI Shupeng3 ZHAO Bin4 ZHONG Wangtao5 FENG Du1
　　1.Guangdong Medical University， Guangdong Province， Zhanjiang 524000， China； 2.Department of Neurology， the First Afiliated Hospital of Hainan Medical University， Hainan Province， Haikou 570100， China； 3.Department of Neurology， Zengcheng District People′s Hospital， Guangdong Province， Guangzhou 511300， China； 4.Guangdong Key Laboratory of Age-related Cardiac-Cerebral Vascular Disease， Institute of Neurology， the Afiliated Hospital of Guangdong Medical University， Guangdong Province， Zhanjiang 524000， China； 5.Department of Neurology， the Afiliated Hospital of Guangdong Medical University， Guangdong Province， Zhanjiang 524000， China
　　[Abstract] To maintain mitochondria homeostasis， mitochondria remove damaged or excess mitochondria by autophagy. Mitochondria fission and fusion process is the basis of mitophagy， and mitofusion-2 （MFN2） is involved in the process of regulating mitochondria fission and fusion. Mutations in MFN2 could cause mitochondria dysfunction and even lead to neurodegenerative diseases such as Charcot-Marie-Tooth. This paper review recent research progress of MFN2 function and its effect on mitochondria autophagy and neurodegenerative disease， aiming at providing reference for further research in related fields.
　　[Key words] Mitofusion-2； Mitochondria； Mitophagy； Neurodegenerative disease
　　線粒體為細胞正常生長代謝提供必需的能量，參與細胞眾多的生理活動，例如：氧化磷酸化、三羧酸循環、脂肪酸代謝、糖異生、增殖、衰老、凋亡等。線粒體自噬對線粒體形態、數量和質量的調控起到重要作用，主要是通過自噬清除細胞內受損或多余的線粒體[1]。線粒體分裂融合是線粒體自噬的基礎。線粒體融合過程包括線粒體外膜（OMM）融合和線粒體內膜（IMM）融合，在哺乳動物細胞中，MFN1/2參與線粒體外膜融合，OPA1參與線粒體內膜融合。線粒體分裂涉及的蛋白有Drp1、Fis1、MFF等。線粒體融合、分裂相關蛋白質亦參與線粒體自噬，分子突變可引起線粒體功能障礙，導致神經退行性疾病，如帕金森病、腓骨肌萎縮等[2]。
　　1 MFN1/2的結構和功能
　　1.1 MFN1/2的結構
　　線粒體融合蛋白在哺乳動物中分為兩種，即MFN1和MFN2。MFN1由位于人3號染色體（3q26.33）上的18個外顯子編碼，741個氨基酸組成；MFN2由人1號染色體（1p36.22）上的20個外顯子編碼，757個氨基酸組成，兩次跨線粒體外膜的線粒體外膜蛋白。MFN1和MFN2具有同源性，有約80%相似的結構相關序列[3]。MFN1/2結構大致分為氨基末端GTP酶區域、七肽重復結構域HR1、跨膜區域和七肽重復結構域HR2。GTP酶區域可連接水解GTP[4]。MFN1和MFN2在GTP酶活性上表現不同，MFN1有較高的GTP酶活性，而MFN2對GTP有較高的親和力[5]。HR1區域具有干擾脂質雙層結構誘導膜融合的作用[6]。HR2區域介導MFN1-MFN2或者MFN2-MFN2寡聚化，形成反式平行卷曲螺旋二聚體，將相鄰的兩個線粒體系鏈以維持線粒體網狀結構[7]。GTP酶區域、HR2區域均暴露在胞質。 　　1.2 MFN2的生理功能
　　MFN2和MFN1共同維持線粒體網狀結構，通過MFN1-MFN1相互作用實現有效的線粒體系鏈后[5]，依賴GTP酶區域水解GTP和線粒體膜電位實現線粒體融合[8-9]。MFN2突變可阻礙線粒體融合，引起線粒體系鏈中間體累積[5]，這提示線粒體系鏈依賴MFN1，而線粒體融合依賴MFN2。線粒體在MFN1敲除細胞中呈現均一的球狀，在MFN2敲除細胞中則是大小不一的顆粒狀[10]。
　　MFN2影響線粒體能量代謝。在L6E9肌管細胞中，MFN2表達量下調可引起線粒體膜電位降低，細胞耗氧量減少，葡萄糖氧化受到抑制[11]。MFN2下調可抑制OXPHOS復合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ亞基的表達，降低其酶活性[12]。心肌細胞中敲除MFN2，可通過阻礙萜類化合物的合成引起輔酶Q缺乏而影響線粒體氧化呼吸鏈[13]。由此可見，MFN2是線粒體三羧酸循環和氧化呼吸所必需的。
　　MFN2影響細胞葡萄糖水平。MFN2可干擾胰島素信號傳導，肝臟組織敲除MFN2后產生糖耐量下降、胰島素抵抗的現象[14]。有研究[15]發現，MFN2上調可改善棕櫚酸誘導的骨骼肌細胞胰島素抵抗，MFN2敲低會促進氧化應激反應，增加活性氧（ROS）的產生，并增強磷酸化c-Jun氨基末端激酶（JNK）和活化胰島素信號傳導分子NF-κB。MFN2對維持細胞葡萄糖穩態、穩定胰島素敏感性至關重要。
　　MFN2影響細胞增殖和凋亡。在B細胞淋巴瘤細胞系BJAB中，敲低內源性MFN2，發現細胞增殖速率上升，MFN2可通過N端與Raf-1、C端與Ras相互作用而抑制Ras-Raf-ERK信號傳導通路，從而抑制細胞增殖[16]。在HeLa細胞中下調MFN2，可干擾自噬體和溶酶體融合，阻礙自噬降解過程，從而抑制細胞增殖[17]。通過探索MFN2與凋亡的關系，發現心肌細胞在氧化應激作用下，其MFN2水平增高，引起細胞凋亡[18]，但MFN2下調亦可通過增強神經酰胺的通路引起心肌細胞凋亡[19]。由此推測，MFN2上調或者下調均可引起相同的細胞反應，但其涉及的機制可能不同，而在不同的細胞系中，MFN2可引起不同的細胞反應。MFN2是否存在維持細胞穩態的調節平衡點值得進一步研究。
　　MFN2參與構建內質網-線粒體連接膜[20]。內質網-線粒體連接膜通過MFN2調節線粒體形態、細胞器間Ca2+轉運[21]、脂質運輸、參與內質網應激和線粒體自噬。近期有研究[22]對MFN2在內質網-線粒體連接膜的系鏈作用持反對意見，即在不同細胞類型中，突變或消除MFN2反而增加內質網-線粒體間的偶聯。因此，MFN2在內質網-線粒體連接膜中所發揮的具體作用仍需探討。
　　2 MFN2與線粒體自噬
　　2.1 線粒體動態平衡與線粒體自噬
　　線粒體網狀結構的維系有賴于分裂融合、自噬的生理活動。線粒體自噬是通過自噬清除受損或多余的線粒體，自噬體膜延伸包裹受損或多余的線粒體形成自噬小體，再與溶酶體融合形成自噬溶酶體降解內容物。ROS、缺氧、饑餓、細胞衰老的刺激條件可引起線粒體自噬[23]。線粒體自噬涉及分子機制中的PINK1-Parkin通路研究較多。PINK1是絲氨酸/蘇氨酸激酶，經過線粒體外膜復合物和線粒體內膜復合物轉位，錨定于線粒體內膜。在正常的線粒體中，PINK1會被線粒體加工肽酶（MPP）和早老素相關菱形樣蛋白（PARL）連續降解，但在膜電位下降的線粒體中，PINK1轉位到線粒體內膜（IMM）受到抑制，使得PINK1在線粒體外膜處累積，PINK1與外膜轉運酶（TOM）形成復合物，發生磷酸化。PINK1為Parkin的上游作用分子，Parkin為E3泛素連接酶。磷酸化的PINK1磷酸化Parkin的第175位和第217位蘇氨酸，促進Parkin從胞漿移位到受損的線粒體，介導線粒體自噬的發生[24]。PINK1亦磷酸化泛素分子，PINK1-Parkin促進泛素與受損線粒體結合，進而被泛素結合自噬受體識別，進一步活化線粒體自噬途徑[25]。
　　2.2 MFN2參與線粒體自噬
　　MFN2可影響線粒體形態動力學參與線粒體自噬。PINK1-Parkin可泛素化修飾MFN2，泛素化MFN2經蛋白酶體降解增多抑制了線粒體融合，導致線粒體斷裂成顆粒狀，促進線粒體自噬。
　　MFN2可直接參與線粒體自噬。MFN2是Parkin在線粒體上的底物，PINK1可磷酸化MFN2第111位蘇氨酸和第442位絲氨酸，Parkin與磷酸化MFN2結合定位于線粒體，磷酸化MFN2亦可增強PINK1-Parkin泛素化MFN2的生物效應[26]。泛素化MFN2抑制線粒體融合，斷裂的線粒體被自噬小泡包裹形成自噬體，與溶酶體融合降解。另外，在線粒體應激條件下，MFN2可被JNK磷酸化，引起Parkin泛素化MFN2，同時誘導Huwe1募集到線粒體，通過其BH3結構域與MFN2相互作用，增強MFN2的降解[27]。
　　MFN2可影響自噬體和溶酶體融合參與線粒體自噬。自噬體與溶酶體融合受阻可導致自噬體累積，阻礙自噬降解。在心肌細胞中敲除MFN2，可導致自噬體大量積累[28]。在神經元缺血/再灌注模型中，亦發現MFN2下調可通過抑制自噬體與溶酶體融合加劇缺血再灌注損傷，過表達MFN2可逆轉自噬體累積的現象[29]。
　　MFN2可通過影響內質網-線粒體連接膜的系鏈參與線粒體自噬。PINK1-Parkin可通過磷酸化泛素化MFN2使MFN2復合物上的p97解體，破壞線粒體-內質網偶聯結構，導致線粒體與內質網解離，從而促進線粒體自噬，加速線粒體降解[30]。
　　3 MFN2與神經退行性疾病
　　越來越多研究認為線粒體與神經退行性疾病密切相關，例如：帕金森病、腓骨肌萎縮。然而，MFN2是否與其發病機制相關呢？
　　3.1 帕金森病 　　帕金森?。≒D）是以運動和精神改變為臨床特征的神經退行性疾病。在特發性PD患者的黑質組織中，其MFN2表達降低，線粒體分裂呈增加的趨勢，而在百草枯（PQ）誘導的PD模型中亦發現類似的變化，而過表達MFN2可阻斷PQ引起的線粒體斷裂，并抑制了多巴胺能神經元缺失[31]。MFN2是否參與到PD發病機制中？近期有研究[32]發現，MitoQ可通過激活過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活子1α（PGC-1α）以增強MFN2依賴的線粒體融合途徑，進而保護6-羥基多巴胺（6-OHDA）誘導的PD模型中的多巴胺能神經元。由此推測，MFN2在PD中起到調節線粒體融合保護神經元的作用，但其涉及的機制仍需進一步探究。
　　3.2 腓骨肌萎縮
　　腓骨肌萎縮（CMT）是以遠端肌肉萎縮和感覺喪失為臨床特征的神經退行性疾病，分為脫髓鞘型（CMT1）和軸突型（CMT2）。在中國，MFN2突變在CMT2發病中占到18%，是最常見的病因[33]，有常染色體顯性遺傳傾向。野生型MEF細胞中線粒體沿著細胞骨架正常順向或逆向運動，但在MFN2KO MEF細胞中，線粒體融合障礙，斷裂腫脹成球形，出現不協調運動。CMT2A患者大多可檢測到MFN2蛋白錯構，GTP酶區域約占50%，但不影響GTP酶結合水解GTP[34]。由此推測，CMT2A的線粒體融合受損有可能是涉及GTP酶區域的蛋白質之間相互作用引起，但仍需進一步研究。MFN2蛋白錯構亦可發生在HR2區域[35]，影響線粒體融合。有研究[36-37]設計微肽調節MFN2的HR1-HR1非活性狀態轉變到NR2-HR2活性狀態，促進線粒體融合，逆轉CMT2A中的線粒體融合障礙，這為治療CMT2A提供了調節線粒體融合的治療角度。
　　4 討論與展望
　　近年來，關于MFN2的研究越來越多，逐漸發現MFN2參與了線粒體新陳代謝、線粒體自噬、MAMs的構成、細胞能量生成、信號傳導、增殖凋亡等生理活動，對細胞的生長發育有著重要意義。MFN2異?？蓪е戮€粒體功能障礙并引起細胞代謝異常，甚至產生病理性改變，如2型糖尿病、肥胖等代謝性疾病、腫瘤、心腦血管疾病、神經退行性疾病等。然而，目前關于MFN2在各細胞生理活動、疾病發生發展中涉及的分子通路和具體作用機制的研究并不完善，仍有未知的領域等待探索。
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　?。ㄊ崭迦掌冢?018-10-11 本文編輯：王 蕾）
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