能量需求改变时线粒体的适应性代偿

温含葛新发，2庞洪波张力辉

1上海体育学院运动人体科学学院（上海 200438）2山东体育学院3天津市残疾人康复服务指导中心4河北港口集团有限公司港口医院

能量需求改变时线粒体的适应性代偿

温含1葛新发1，2庞洪波3张力辉4

1上海体育学院运动人体科学学院（上海 200438）2山东体育学院3天津市残疾人康复服务指导中心4河北港口集团有限公司港口医院

作为细胞能量供应中心的线粒体，通过氧化磷酸化为细胞提供能量，同时还参与细胞凋亡、自噬、信号转导等生物活动，故其不仅对生物体的生长、发育、代谢、遗传有着十分重要的生理意义，也与机体衰老以及肿瘤、糖尿病、心脑血管疾病等多种病理过程密切相关。不同生理、病理状态下，机体会对能量产生不同的需求，为适应各种不同的能量需要，线粒体从形态变化、质量控制和数量三个方面对机体能量变化进行代偿，本文从这三方面对线粒体在能量需求不同时产生的适应性变化进行阐述。

线粒体；线粒体融合-分裂；线粒体自噬；线粒体发生；信号转导

线粒体是真核生物的能量站，直接影响机体新陈代谢、生长发育、细胞凋亡以及衰老等生物过程，同时还参与机体多种生理病理过程，故线粒体数量、形态以及质量的变化对机体健康起到了至关重要的作用[1-4]。线粒体的状态并非静止不变，在细胞分裂处于不同时相、不同生理环境中、不同外界刺激下时，线粒体作为极为敏感的细胞器，在数量、形态和质量上会发生动态的改变。现有研究表明，在细胞能量需求增加或者能量供应不足时，作为能量供应中心的线粒体自身结构与功能都会产生积极的适应性反应。本文从线粒体分裂-融合变化、线粒体自噬及线粒体发生三个角度对在ATP供应不足、氧化应激、线粒体受损等病理状态时线粒体产生的适应性变化机制进行综述。

1 线粒体的分裂与融合

线粒体是细胞能量供应中心，其形态不断变化，通过分裂、融合进而形成独特的网状结构[5]。而线粒体分裂、融合运动是一个动态平衡的变化过程，若该平衡一旦被打破，其形态会朝着其中一个方向进行。如若线粒体融合受到抑制（或分裂兴奋），会导致平衡模式向分裂方向进行并出现片段化线粒体，相反则将促进线粒体融合，导致线粒体形成高度融合的网络状态[6]。线粒体的这种变化不仅只是线粒体形态和功能改变的直观表现，该过程还与细胞的诸多生理功能有密切的关系[7]。有学者认为，线粒体的网状结构可能在能量和信息在不同线粒体中的传递和沟通过程中发挥了重要作用，有利于膜电位在不同线粒体间迅速传递，也为线粒体内容物和线粒体基因组（mtDNA）充分交换和互补提供了重要途径[8]。有研究指出，细胞衰老过程中，线粒体mtDNA发生突变并会积累下来，线粒体的网状结构可使突变基因组进行互补、合并来对缺陷线粒体进行有效的修复，以保证线粒体正常的生理功能，进而保证细胞功能稳定，但常态下融合对线粒体DNA起到选择性的排外作用而并非修复[9]。但线粒体的分裂也并非只是消极因素，有学者认为分裂过程有助于细胞内不同区域线粒体执行各自的功能。Dorn等[10]在敲除果蝇心管线粒体融合相关基因后发现线粒体融合受到抑制，而核编码的线粒体相关基因表达明显增加，该结果证明线粒体分裂可能与线粒体再生能力关系密切，这对于线粒体的数量和质量的维持有重要意义。在细胞分裂过程中，线粒体分裂可使新线粒体被均匀地分配到子代细胞中，这也很好解释了G1期细胞线粒体成网络状，而S期则呈现片断化的现象。对于线粒体在细胞分裂过程中的分配现象，也有人认为线粒体在细胞内的定位和运动与细胞骨架（微管、微丝、中间纤维）关系紧密，猜测微管与微丝参与影响了线粒体的移动速度与距离，当然在细胞分裂周期的不同时相细胞骨架的这种影响作用可能有所差异[11]。线粒体分裂也与细胞凋亡关系密切，或反过来说细胞凋亡与线粒体融合的缺失或抑制有关。细胞凋亡早期线粒体往往出现显著的片断化改变，也有实验证明了一些凋亡调控因子（如细胞色素C）也会参与线粒体的形态片段化过程[12，13]。

相对平衡的线粒体融合与分裂速度是线粒体网络化程度的决定性因素，相比处于静态的线粒体，形态高

度动态平衡的线粒体更具功能优势。现有研究证实，这种线粒体形态和结构上的动态变化不仅参与线粒体正常生理功能的保持，在细胞层面也对能量代谢、凋亡、衰老等生命活动以及一些疾病发生过程产生明显影响[14，15]。

线粒体移动相关基因（Miro1/2）的动态表达已被证明是形态相关基因表达发生变化的先导，并与分裂融合相关基因协同应对机体不同部位能量需求急剧变化产生快速应答。有研究提出[16]，在负荷递增的急性运动中和恢复期，掌管大鼠骨骼肌线粒体形态的融合蛋白mfnl/2和分裂蛋白fisl mRNA表达量变化趋势截然相反，即随机体能量需求增加，线粒体分裂基因表达也迅速增加，融合基因表达则明显降低；在运动后恢复过程中，融合基因表达则逐渐升高，恢复甚至超过安静水平，分裂基因表达量也逐渐下降至安静水平。上述这种方向相逆的形态变化提示：在机体进行急性运动时，线粒体形态变化相关基因（分裂/融合相关基因）的动态表达可能积极参与线粒体应对细胞能量需求急剧增加的适应性调节，而该调节机制可能是线粒体形态的动力学变化与线粒体呼吸功能的关系的直观反映。线粒体融合-分裂的动态变化与运动能量代谢需求相适应，也同样参与影响线粒体自身功能和细胞能量代谢调控。

2 线粒体自噬

自噬广泛存在于真核细胞内，是一种依赖溶酶体的蛋白、细胞器降解途径，该途径的降解目标主要是长寿命蛋白质和受损的细胞器[17，18]。目前的共识认为，细胞利用自噬与泛素-蛋白酶体系统[19]两个途径来承担细胞内蛋白质合成与降解以及细胞器更新的责任，损坏蛋白和细胞器的及时清除对于维持细胞的生理状态具有重要意义。线粒体自噬的概念是由Lemasters[20]提出的，是指在活性氧（ROS）攻击、营养不足、衰老等内外环境变化下，线粒体外膜电位改变发生去极化而出现线粒体损伤，损伤的线粒体被包裹并与溶酶体融合，从而完成对损伤线粒体的降解，损坏细胞器的清除对于维持细胞的正常生理功能有至关重要的意义。

Goldman[21]又将线粒体自噬分两类，一是与应激或者细胞分化相关的自噬，二是维持型自噬。前者是指在病理状况时，线粒体自噬被激活，及时降解受损线粒体；后者是指在细胞生理情况下，在细胞结构和正常功能的分化过程中发挥重要作用。除了与细胞自噬其关的mTOR、PI3K、AMPK等因子调控线粒体自噬外，线粒体自身相关基因也参与线粒体自噬的调节[22-24]。有观点认为线粒体融合-分裂与线粒体自噬关系密切[25-28]，而二者相关的真正机制仍不清楚。目前关于自噬途径是如何清除损伤的线粒体及其与相关信号通路间的相互作用机制的研究很多，但尚存争议。有观点认为是由于ROS的产生而诱导线粒体的清除[29]。线粒体通过氧化磷酸化为细胞供能，是细胞耗氧的主要细胞器。线粒体依赖于充足的氧才能正常行使功能，在供养不足的情况下，线粒体电子传递链因为缺少充足的O2充当电子的最终受体进而发生传递链的紊乱，电子传递链通过复合体Ⅰ(NADH脱氢酶)、复合体Ⅱ(琥珀酸脱氢酶)和复合体Ⅲ(细胞色素c还原酶)产生大量的ROS。ROS可直接激活低氧诱导因子1(hypoxia-inducible factor1，HIF-1)，而活化的HIF-1可调控细胞死亡相关蛋白质：BNIP3(Bcl-2 and adenovirusE1B 19 kDa-interacting protein 3)和BNIP3L(BNIP3-like)，二者均为Bcl-2家族，且为该家族中只含BH3结构域(The Bcl-2 homology domain 3-only，BH3-only)亚家族中的成员[30]，BNIP3和BNIP3L也可诱导线粒体自噬的发生。Zhang等发现在低氧条件可通过BNIP3诱导线粒体自噬发生[31]。另外，BNIP3依赖HIF-1才可被激活且在线粒体自噬发生中不可缺少，磷酸化的BNIP3易于与LC3、GABARAP结合，由此促进线粒体自噬的发生[32]。Sandoval等[33]在对红细胞的研究中发现，BNIP3L与BNIP3相似可引发线粒体自噬并且在红细胞分化过程中必不可少。在BNIP3/BNIP3L介导的线粒体自噬通路中Beclin-1起到了重要作用。Atg6是酵母中自噬相关基因，而Beclin-1是Atg6在哺乳动物中的同源物，其在激活自噬前体结构中发挥重要作用，参与自噬体形成的调控。Beclin-1蛋白具有BH3结构域，因此可通过BH3结构域与Bcl-2或者Bcl-XL结合，而同样具有BH3结构域的BNIP3与BNIP3L可与Beclin-1竞争性地和Bcl-2或者Bcl-XL结合。当BNIP3和BNIP3L表达升高时，Beclin-1被BNIP3和BNIP3L竞争性地从Bcl-2/Beclin-1或Bcl-XL/Beclin-1复合物中释放出来，游离的Beclin-1与多种蛋白质结合成Ⅲ型磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)复合体，通过PI3K/Akt途径来调节下游多种自噬相关的Atg蛋白在自噬前体结构中的定位，从而启动线粒体自噬[15]。

线粒体的分裂融合同时又与线粒体自噬关系密切，但二者相关联的具体机制并不清楚。Parone等[27]研究发现，敲除Drp1后的Hela细胞的线粒体呼吸功能丧失，ATP浓度显著下降，细胞周期缩短，部分mtDNA缺失，而LC3-Ⅱ的表达却明显增加了，作者认为该结构可能是由于ROS浓度大量增加所引起的，该结果表明在敲除了Drp的Hela细胞中线粒体自噬被抑制。同属于线粒体融合蛋白之一的OPA1表达降低，首先诱导线粒体发生去极化，线粒体外膜的去极化是线粒体自噬发生的先导；相反，当OPA1过表达，发现自噬小体中仅存在小部分线粒体，故猜测OPA1在这个线粒

体自噬过程中可能起到信号分子的作用。因线粒体分裂融合是动态平衡的过程，在敲除Fis1后自噬作用也会明显减少。有观点认为，线粒体分裂可能是线粒体自噬所必须的，Gomes等[25]发现无论过表达的Fisα1(Fis1的同源物)的突变型还是野生型均可促进线粒体自噬。上述研究都提示，线粒体的分裂可能是线粒体吞噬前发生的前提步骤，这也证明了线粒体分裂融合的变化与线粒体自噬联系密切。虽然目前关于慢性疾病以及运动过程中产生的线粒体形态与线粒体自噬之间的关系报道较多，但并未真正阐明线粒体分裂融合是通过哪些通路调节线粒体自噬的。据上述原因可知，在机体能量供应不足或氧化应激状态下，产生大量ROS，ROS影响线粒体分裂-融合的平衡使得线粒体从形态上进行代偿；同时ROS的增高、线粒体分裂-融合变化促进线粒体自噬的发生，清除功能障碍、受损的线粒体，达到保持细胞平衡、抑制活性氧的作用。

3 线粒体发生

5′单磷酸腺苷活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)是敏感的细胞能量感受器，可调节细胞能量代谢，无论在正常细胞还是在癌细胞中均发挥重要的生物功能，AMPK被激活后利于纠正代谢紊乱，使细胞代谢趋向生理平衡。作为体内能量调剂器的AMPK可被AMP或ADP/ATP比值增高而被激活[34]，AMPK又可以通过PGC-1α调节线粒体的发生[35]。越来越多的研究表明，线粒体与AMPK的活性可相互调节，线粒体能对AMPK活性产生影响，同时活化的AMPK也通过多方面对线粒体进行调节，线粒体相关疾病大多与AMPK的调节有着密切的关系。在真核生物中AMPK是一种高度保守的蛋白激酶，由三个亚单位组成，一个催化亚单位α，两个调节亚单位分别为β和γ[36]。AMPK是高度保的蛋白，能感受细胞能量变化的感受器，对ADP/ATP和AMP/ATP比率的改变极为敏感，在代谢应激或细胞能量失衡时，ATP产生不足，ADP/ATP或AMP/ATP比率升高，进而激活AMPK，活化的AMPK可激活过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子-1α（peroxisomeproliferatoractivated receptor gamma co-activation，PGC-1α）。PGC-1α是重要的代谢相关转录活化辅助因子，在线粒体和成、发生以及骨骼肌快慢纤维类型间的相互转换等生理过程中发挥重要作用，同时，PGC-1α还参与调节线粒体的分裂-融合过程。Sorizano研究L6E9肌细胞时发现，在PGC-1α和雌激素相关受体α（ERR）共同作用下，Mfn2（线粒体融合蛋白）表达增高，PGC-1α、ERRα与mfn2基因启动子结合后激活其转录活性[31]。国内学者发现，一次递增负荷运动就可诱导PGC-1α基因和蛋白表达，并启动其下游信号级联反应促进线粒体的生物合成[37]。现有研究表明，PGC-1α能够调控许多细胞核编码的线粒体基因表达，通过PGC-1α-NRFs-Tfam途径启动线粒体的生物发生，其次来调控线粒体发生[38]。疾病、供氧不足、损伤等情况下，可能造成线粒体损伤导致有氧氧化能力下降，产生大量ROS，随着ROS的积累增多，ROS攻击线粒体膜促进线粒体自噬的同时，可能通过p38MAPK-PGC-1α-NRFs-Tfam途径启动线粒体的生物发生，保证线粒体在质量上向正常水平靠拢，以此弥补ATP的不足，从而抑制ROS对细胞产生的破坏作用。

AMPK还与线粒体自噬有着极为密切的关系，被激活的AMPK可通过Atg1和ULK途径促进线粒体自噬的发生[35]。酵母细胞中激活后的AMPK可抑制TORC1复合物，而后者可直接磷酸化Atg1来阻止自噬的发生;因此，AMPK可以通过抑制TORC1而促进自噬[39]，这一作用同样存在于哺乳动物，哺乳动物细胞中Atg1的相应保守蛋白为ULK1，AMPK可直接磷酸化反应作用于ULK1(hATG1)的Ser555、Thr574和Ser637这三个位点，形成非常稳定的ULK1和AMPK复合物[40]，后者引起线粒体自噬[41]，在营养缺失条件下AMPK对ULK1的磷酸化是线粒体体内平衡和线粒体自噬所必需的[42]；同时，AMPK还可抑制mTOR，mTOR被抑制后能促进线粒体自噬的发生，因此活化的AMPK可以通过促进线粒体自噬来清除受损的线粒体，从而维持细胞的正常生理状态。

作为对能量供应及氧浓度最为敏感的细胞器，线粒体与大量代谢相关疾病有着非常紧密的联系。在低氧、运动、疾病、损伤的内外界因素刺激下，线粒体从形态、质量控制和数量三方面产生相应的改变，使得线粒体数量和线粒体质量得到保障和恢复，起到积极代偿的作用，因此在今后代谢相关疾病的研究中，线粒体的适应性变化可能对于疾病的治疗及恢复、运动处方的制定具有重要意义。

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2015.12.04

山东省自然科学基金项目（ZR2012CMO13）；运动健身科技省部共建教育部重点实验室(上海体育学院)资助项目

葛新发，Email：gexinfa@163.com