线粒体自噬及运动对其的调控作用

方正

(华东师范大学体育与健康学院 上海 200062)

细胞自噬是细胞通过识别并吞噬自身胞质成分,加以降解和回收利用,以调节细胞内环境稳态,对细胞及其亚结构进行质量控制的一种生物学过程[1]。其作用底物包括长寿命的生物大分子、多余或受损的细胞器以及入侵的病原微生物。在正常情况下,细胞自噬通常维持在较低水平。当细胞受到营养匮乏、热应激、氧化应激以及损伤等外界刺激时,自噬可以作为一种细胞应答过程而被诱导激活。在酵母细胞中,自噬小体是由自噬前体(PAS)发育而来。而在哺乳动物细胞内,它的起源是多因素性的。自噬的几个步骤包括:隔离膜的膨胀、自噬小体的产生、自噬小体向溶酶体的转运等。这些过程受到了超过30种以上已识别的Atg蛋白的介导或调节。

到目前为止,发现的大自噬类型有两种:非选择性自噬和选择性自噬。非选择性自噬通常发生在营养缺乏时。此时通过自噬能为细胞的新陈代谢提供材料和能量,直到细胞再一次从外界获得能量供应。相比之下,细胞在营养充足条件下,发生的选择性自噬,其目的则是为了清除多余的或受损的细胞器或有毒的蛋白聚合体。这些变化通常是通过改变能量供给,或者是分化过程来达到的。

线粒体自噬是一种典型的选择性自噬,它是细胞有选择性地清除细胞内线粒体的过程。在酵母细胞和哺乳动物细胞中,线粒体自噬在线粒体分裂之前,将受损的线粒体分解了各种碎块,然后进行选择性的自噬加以清除,以达到质量控制的目的。除了质量控制以外,线粒体自噬还被证明在调节线粒体数量、改变代谢需要,以及在哺乳动物细胞生长发育的特定阶段的过程中维持线粒体的稳态所必须的,例如血红细胞的分化过程。

本文将讨论最新研究所发现的酵母细胞和哺乳动物细胞中的线粒体自噬调节通路,它们包括PINK1和泛素连接酶parkin。同时,我们还将对运动干预对线粒体自噬水平的调控作用进行阐述。

1 酵母细胞中的线粒体自噬

观察酵母细胞中线粒体自噬现象,促进了我们对线粒体自噬分子机制的研究。研究表明,自噬相关蛋白Atg32在线粒体自噬过程中是必需的。Atg32是一种定位于线粒体外膜上,分子量约为60KD的蛋白质,其羧基端位于膜间隙内,而约40KD的氨基端位于胞质。在线粒体自噬过程中,Atg32可以作为线粒体的受体与Atg11相结合,定位于PAS,然后与Atg8相互作用。有趣的是,在位于胞浆中的Atg32上有含有一段WXXL/L样的Atg8结合序列,这个序列对于Atg32与Atg8结合,并引起线粒体自噬是必需的。因此我们说Atg32有两种方式与Atg8结合,一种是通过Atg11作为中介,另一种是通过Atg32自身所包含的WXXL/L样Atg8结合序列。通过这种直接或间接(通过Atg11作为桥梁)的联系方式将线粒体外膜上的Atg32和隔离膜上的结合蛋白Atg8结合,吸引线粒体向自噬小体中移动。虽然在过氧化条件下,Atg32的表达增加提示我们,它可能参与到了线粒体的质量控制中。然而在敲除Atg32的酵母细胞中,没有观察到线粒体的缺陷。细胞是如何通过Atg32的表达和激活来清除过量的线粒体,仍将是未来研究的一个热点。

2 红细胞中的线粒体自噬

清除健康的线粒体在某些细胞生长分化过程中也是很关键的。在绝大多数哺乳动物的成熟红细胞中都缺少线粒体。在红细胞由不成熟到成熟的分化过程中,是如何进行线粒体自噬的。我们认为这是从网织红细胞开始的。在线粒体外膜上存在一种蛋白,NIX(BNIP3L)可能参与了这一过程。因为,在红细胞分化阶段的末期,NIX的表达大量增加,而被敲除了NIX的小鼠,其成熟的红细胞内仍有线粒体的存在。NIX最初被认为是一种BH3(一种与细胞凋亡有关的蛋白质),因此,它可能通过释放促凋亡信号来诱导线粒体的自噬。然而后续研究发现,NIX不仅仅是一种BH3蛋白,而且在网织红细胞中,NIX调节线粒体自噬的机制似乎也和凋亡机制没有联系。因为它不需要促凋亡前体细胞BCL-2中的家族蛋白BAX或BAK的辅助。

NIX定位于线粒体外膜上,含有一个暴露于胞浆中的WXXL/L结合序列。NIX可以通过这个序列与哺乳动物细胞中的Atg8同系物LC3以及LC3的同源物质——GABARAP结合。这种结合能够直接将线粒体导入到隔离膜内。与这个结论相一致的是,线粒体自噬在NIX缺失的网织红细胞中恢复表达,不含WXXL/L基因序列的NIX蛋白不能进行线粒体的清除。

3 线粒体自噬与疾病

最近的研究把线粒体自噬和帕金森氏病联系起来。在常染色体隐形遗传病帕金森氏病患者中,有两个基因发生突变,即PINK1和E3泛素连接酶parkin。下面我们将描述在哺乳动物细胞中,由PINK1和parkin介导的信号通路所引起的线粒体自噬。

3.1 parkin向受损线粒体移动

Parkin是一种E3泛素连接酶,它的调节异常会导致帕金森氏病和神经元黑质的丢失。Parkin在很多组织中呈现高表达,包括大脑、骨骼肌、心脏和肝脏组织。这提示其具有广泛的生理学作用。有研究表明,当线粒体融合被阻断导致一部分线粒体受损而失去膜电位,parkin会移动到受损的线粒体上,却不会在健康的线粒体上积聚[2]。此外,在用线粒体解偶联剂培养达到1天的细胞中,parkin可以通过介导细胞的线粒体自噬来有选择性的清除细胞内的线粒体。基于parkin这种向损伤线粒体选择性积聚,诱导细胞通过线粒体自噬来清除受损的线粒体,有人提出利用parkin介导线粒体质量控制的途径来维持线粒体数量的精确,并去除损伤的线粒体。

3.2 parkin的聚集需要PINK1

Parkin转位到解偶联的线粒体并诱导线粒体自噬的过程中需要被激活的PINK1。研究发现,由于异常表达或实验引起的PINK1在线粒体内的积聚增多能够引起parkin向未被解偶联的线粒体积聚,从而引起线粒体自噬。PINK1可能表达并转运到所有的线粒体上,当PINK1到达健康的线粒体时,会被蛋白质水解酶快速分解,并使其浓度维持在一个很低的水平上。当一部分线粒体受损时,PINK1蛋白质水解酶的活性受到抑制,导致PINK1在受损的线粒体膜上大量堆积,继发性的引起parkin向线粒体的积聚,从而介导线粒体自噬的发生。然而在哺乳动物细胞中,PIKN1如何被分解和抑制的机制还不清楚。此外,虽然有报到称PINK1可以结合并磷酸化parkin,但是PINK1如何募集parkin到线粒体上的分子机制也不明确。这些都仍需我们对其进行更深一步的研究。

3.3 Parkin诱导的线粒体自噬

线粒体自噬是通过parkin诱导的,通过parkin募集诱导的线粒体自噬被认为与线粒体基质的parkin泛素化调节有关。研究表明,泛素连接受体P62能使两个泛素蛋白通过聚合与其他的P62分子结合,并募集泛素化物质,进入自噬小体与LC3连接,通过parkin的泛素化调节,积聚在线粒体上[3]。虽然将P62绑定在parkin泛素化的线粒体基质中,并调节线粒体的积聚过程很明显,但仍有不同的研究结果显示,P62对于parkin促进线粒体自噬的过程并不是必需的。组蛋白脱乙酰酶HDAC6常与泛素化底物绑定,通过parkin的转移积聚到线粒体上,并诱导parkin调节性线粒体自噬。这表明了线粒体运输和线粒体自噬之间可能存在联系。

4 线粒体自噬与运动

近年来,已有少数关于运动对线粒体自噬相关基因表达影响方面的研究。Salmine[4]等的研究发现,小鼠在运动后2～7天内,其细胞的自噬活性达到峰值,自噬小泡中存在不同降解阶段的线粒体,这提示我们,运动后机体可以通过自噬途径降解受损的线粒体,以调控体内的线粒体质量水平。还有研究指出,耐力训练可以促使小鼠NIX、PINK1、PINK2等线粒体自噬相关基因的mRNA表达上调,这提示我们耐力训练对线粒体的自噬水平起到了重要的调控作用。也有研究表明,耐力运动对衰老大鼠的骨骼肌线粒体自噬没有产生积极的影响。因此关于运动对骨骼肌线粒体自噬影响的分子机制还需要进行更加深入和细致的研究。

5 结语

线粒体自噬途径复杂,迄今为止对线粒体自噬水平的运动干预研究还很有限,关于运动对线粒体自噬途径的分子机制研究还有待进一步的深入。尤其关于运动是通过哪些途径,依赖何种机制对线粒体的自噬水平进行调控、如何刺激线粒体自噬相关基因上下游信号分子的生物发生以及其与细胞内降解系统之间如何产生相互联系等都还需要进行进一步的研究。

[1]NakatogawaH,Suzuki K,Kamada Y & Ohsumi,Y.Dynamics and diversity in autophagy mechanisms:lessons from yeast[J].Nature Rev.Mol.Cell Biol,2009,10:458-467.

[2]NarendraD,Tanaka A,Suen,D.F.etc.Parkin is recruited selectively to impaired mitochondria and promotes their autophagy[J].J.Cell Biol,2008,183:795-803.

[3]Pankiv,S.p62/SQSTM1 binds directly to Atg8/LC3 to facilitate degradation of ubiquitinated protein aggregates by autophagy[J].J.Biol.Chem,2007:24131-24145.

[4]Salminen A,Kaarniranta K,Kauppinen A.Crosstalk between Oxidative Stress and SIRT1:Impact on the Aging Process[J].Int J Mol Sci,2013,14(2):3834-3859.