线粒体融合蛋白-2生物学功能及其在疾病中作用的研究进展

关飞，方克伟

(昆明医科大学第二附属医院，昆明 650000)

线粒体融合蛋白-2生物学功能及其在疾病中作用的研究进展

关飞，方克伟

(昆明医科大学第二附属医院，昆明 650000)

线粒体融合蛋白2(Mfn2)是线粒体外膜上的跨膜蛋白，普遍位于线粒体外膜和线粒体联合内质网膜上。研究发现，Mfn2在细胞增殖、凋亡和自噬方面起重要调节作用，其表达异常和功能缺失在心血管疾病、肿瘤及腓骨肌萎缩症等疾病的发生和发展中有重要作用。

线粒体融合蛋白2；细胞增殖；细胞凋亡；自噬；腓骨肌萎缩症

线粒体融合蛋白2(Mfn2)是一种高度保守的跨膜GTP酶，其N端为p21ras共有模体和GTP结合区域，C端为疏水性跨膜区和PKA/PKC磷酸化位点[1]。跨膜区的上下游各有一段七肽重复序列(HR1/2)，类似卷曲螺旋结构，与线粒体聚集及核周聚集密切相关[2]。经证实，Mfn2除介导线粒体融合外，还在细胞增殖与凋亡、自噬等方面发挥作用[3,4]。因此，研究Mfn2作用的分子机制具有重要的理论意义，同时Mfn2在心血管疾病、肿瘤及腓骨肌萎缩症(CMT)等疾病中起重要作用，并有可能使其成为这些疾病的潜在治疗靶点。现就Mfn2生物学功能及其在疾病中的作用研究进展进行综述。

1 Mfn2在细胞形态中的作用

1.1 细胞增殖 研究[5]发现，Mfn2过表达会阻碍细胞周期，使其停滞在G0/G1期，抑制多种细胞增殖，且加强抗癌基因的表达。Mfn2与Ras结合后阻碍Ras活化，从而阻断ERK1/2的激活，进而致使细

胞周期阻滞于G0/G1期。Zhang等[6]的实验证明Mfn2可以促进细胞周期蛋白激酶(CDK)抑制剂p21的表达，而CDK抑制剂的低表达可调节ERK1/2活化，故Mfn2可通过上调p21来阻碍ERK1/2的活化从而降低细胞增殖。而细胞周期蛋白酶抑制剂(CKI)高表达可致使细胞核增殖抗原(PCNA)低表达，从而使细胞周期停滞在G0/G1期[7]。另外，Rb在细胞G1期向S期的转化中起调节作用，未磷酸化的Rb与转录因子联合后，可降低细胞生物活性，使细胞G1期向S期的转化过程受阻，从而导致细胞阻滞在G0/G1期。Mfn2可降低Rb磷酸化水平来调节细胞增殖。Chen等[4]研究内源性Mfn2对细胞增殖的调节作用及其结构特点对线粒体定位和细胞增殖的影响，发现内源性Mfn2基因可通过抑制Ras-Raf-ERK1/2信号通路及Ras、Raf-1的作用控制细胞生长。证明Mfn2是一种新的Ras效应分子，Mfn2的N端(AA 1～264)和C端(AA 265～757)片段分别通过不同的机制抑制细胞增殖：N端通过与Raf-1的相互作用抑制细胞增殖，而C端通过与Ras相互作用抑制细胞增殖。同时发现，Mfn2基因过表达可抑制B细胞淋巴瘤细胞系BJAB和RL的增殖，而敲除Mfn2会促进该细胞增殖，Mfn2可能是通过对ERK1/2和Raf-1的上游激酶的抑制作用来介导生长抑制。

1.2 细胞凋亡 细胞凋亡主要由线粒体通路、死亡受体活化通路和内质网通路这三条通路调控，线粒体通路是最普遍的凋亡机制。而Mfn2可依靠其结构和功能上的相关特性作用于线粒体通路，完成对细胞凋亡的调节。其中，Bcl-2家族蛋白在其中发挥着不可或缺的作用。Bcl-2家族中最重要的两个家族成员为Bcl-2与Bax，Bcl-2通过维持线粒体的完整性从而抑制细胞色素C的释放，而Bax能增强细胞色素C的释放，释放的细胞色素C与凋亡蛋白酶活化因子-1(Apaf-1)及Caspase-9酶原形成凋亡复合体活化Caspase-3诱发凋亡[8]。Pang等[9]研究显示，Mfn2表达与Bcl-2表达呈正相关，与Bax表达呈负相关。Zhao等[10]发现Mfn2表达程度降低时，Bax表达程度会随之升高；同时，Bax的易位可致使细胞色素C释放，因此，Mfn2缺乏时可能引起细胞凋亡。Ras-PI3K-Akt通路也是调控细胞生长与凋亡的重要通路之一，Akt可磷酸化下游与凋亡相关的多个分子如Bcl-2家族、Caspase-3和Caspase-9，从而抑制细胞凋亡，与此相反，Akt磷酸化水平降低可以促进细胞凋亡。Zhang等[6]研究结果显示，Mfn2诱导的细胞凋亡与磷酸化Akt的减少密切相关。

新近研究[11]表明，在人肺动脉平滑肌细胞中，miR-17通过与Mfn2的3′UTR相结合而抑制其表达，导致细胞活性下降，细胞凋亡增加，抗miR-17使Caspase-3表达升高而PCNA表达降低，且在敲除Mfn2后这些变化会变小，以上证明促凋亡和抗增殖作用可能是由于miR-17介导Mfn2上调引起的。Song等[12]证实，香烟烟雾提取物(CSE)刺激肺实质细胞，可降低细胞Mfn2表达，增加线粒体分裂蛋白Drp1表达，引起线粒体裂变碎片，而白藜芦醇(RSV)可抑制Mfn2降解、促进线粒体融合增加、增强线粒体适应，从而使得支气管上皮细胞免受CSE诱导的细胞凋亡而得到保护。

1.3 自噬 自噬是保持细胞内环境稳态的重要机制，且在疾病的发生发展方面有调节作用。Sebastian等[13]研究显示，小鼠老化的特点是骨骼肌Mfn2逐渐减少和产生骨骼肌Mfn2消融的衰老相关基因，Mfn2缺乏将降低自噬并使线粒体质量受损，加剧与年龄相关的线粒体功能障碍。老化引起的Mfn2缺乏通过诱导HIF-1α转录因子和BNIP3触发ROS依赖的适应性信号通路，此通路弥补线粒体自噬的损伤，并最大限度减少线粒体损伤，证实在老化过程中肌肉Mfn2抑制是阻碍线粒体自噬和线粒体累积损伤的决定因素。Mfn2通过维持线粒体质量控制和线粒体代谢效率来调节骨骼肌最佳生物特性[14]，Mfn2缺乏将会导致肌肉萎缩。在正常肌肉萎缩中Mfn2抑制可使线粒体自噬减少和线粒体损害增加，从而导致肌肉功能障碍和肌肉减少症。Hailey等[15]研究显示，在饥饿诱导的自噬体中线粒体膜与自噬体可以共享，Mfn2的缺乏将降低线粒体和内质网的连接紧密性，从而极大地损害饥饿诱导的自噬作用。故推断Mfn2可能调节自噬体形成的初始阶段。在心脏中，Mfn2可作为衔接蛋白调节心脏溶酶体-自噬体融合。另外实验证实，在小鼠心脏敲除特异性Mfn2基因后，Mfn2缺乏可抑制自噬-溶酶体融合，造成多分子和功能缺陷，破坏心脏储备，逐渐导致心脏脆弱和功能障碍[16]。因此得出结论，Mfn2参与并调节自噬体-溶酶体融合过程，且调控自噬体成熟进程。

2 Mfn2在疾病中的作用

2.1 心血管疾病 近年来随着对Mfn2研究的不断深入，发现Mfn2对心脏的动力学影响和功能性调控可能会成为治疗心血管病的一个重要靶点。血管增殖性疾病，如动脉粥样硬化、球囊血管成形术后再狭窄和静脉移植性疾病，是严重心血管疾病最常见的原因。位于动脉被膜的血管平滑肌细胞(VSMC)过度增殖则是血管增殖性疾病的主要因素。研究[17]发现，Mfn2表达下调后，观察到粥样硬化动脉VSMC过度增生，腺病毒介导的Mfn2过表达抑制VSMC的血清依赖性增殖。证明Mfn2表达增高可抑制VSMC增殖。其机制为，Mfn2过表达影响Bcl/Bax的表达，增强细胞色素C的释放从而激活Caspase-3活性，介导细胞凋亡。抑制Ras-PI3K-Akt通路也能产生同样的结果。Mfn2在高血压患者中异常表达，提示高血压发病情况可能与Mfn2表达有关。临床研究[18]发现，Mfn2在高血压患者中表达降低，且其遗传变异可能与男性高血压有关。在心力衰竭过程中发现，大量的线粒体小片段与裂变增加和融合减少相一致，说明心力衰竭的发生可能与Mfn2介导的细胞凋亡相关[19]。此外，有研究[20]证明Mfn2在正常射血分数心力衰竭患者中显著减少，也能导致运动不耐受。通过干预措施提高Mfn2表达、促进Mfn2表达功能在治疗正常射血分数心力衰竭有着重要意义。Pei等[21]发现Mfn2消融加重心肌梗死后损伤，包括加重线粒体损伤和增加产生活性氧(ROS)。与此相反，Jagged1可改善线粒体结构和功能，减少ROS的产生和心肌梗死后损伤。Mfn2表达受心肌内Notch1的轻微调节，Mfn2缺失几乎可以消除Jagged1对心肌的保护作用，显著降低心脏功效，加重心肌纤维化与细胞凋亡，增加线粒体损伤和增强氧化应激活动。这些观察表明Mfn2在预防心肌梗死诱导损伤中有不可或缺的作用，其机制可能涉及扰乱线粒体损伤破坏周期和ROS生成。

2.2 肿瘤 人类1号染色体短臂36.22是Mfn2定位点，该位点为恶性肿瘤的突变高发区，肿瘤患者该区域染色体都出现了缺失或易位[22]，提示Mfn2的异常表达或功能缺失可能是肿瘤发生发展的重要因素。

Zhang等[6]研究证实，Mfn2在胃癌肿瘤组织的表达比正常胃黏膜组织低且与肿瘤大小呈负相关，表明Mfn2具有抗肿瘤作用。体外试验示Mfn2过表达抑制胃癌细胞的细胞增殖和集落形成，减弱癌细胞的侵袭和迁移能力，其机制可能是MMP-2、MMP-9的低表达阻滞细胞周期循环，导致细胞凋亡。蛋白免疫印迹法表明p21和PI3K/Akt信号参与其中。提示Mfn2是潜在的抗肿瘤基因，可作为今后胃癌治疗的靶点。有研究者就Mfn2如何抑制癌症的进程进行了深入研究，发现Mfn2基因敲除的MCF7、A549细胞可通过Crispr/Cas9促进癌细胞的细胞活力[23]。信号分析表明，哺乳动物雷帕霉素靶蛋白2(mTORC2)/Akt信号通路在癌细胞Mfn2基因敲除后升高，升高的mTORC2促进癌细胞的生长和转移。Mfn2与Rictor直接相互作用可抑制mTORC2/Akt信号，mTORC2抑制剂明显阻碍Mfn2缺失后肿瘤的生长作用。以上研究证实，Mfn2可通过抑制mTORC2/Akt信号通路延缓肿瘤进程，mTORC2抑制剂在治疗Mfn2下调肿瘤患者中起重要作用。

在肝细胞癌患者中，Mfn2低水平表达者预后差。Mfn2高表达介导HepG2细胞凋亡，下调线粒体膜电位和内质网Ca2+浓度，并升高细胞内ROS和线粒体Ca2+浓度。细胞转染Adv-Mfn2中MICU1和MICU2表达下调。在肝癌细胞中，Mfn2通过使内质网Ca2+进入线粒体诱导细胞凋亡[24]。Wu等[25]研究示，Mfn2 mRNA表达与性别、术前甲胎蛋白显著相关，而与年龄、乙肝表面抗原、HBV-DNA复制，肝硬化、肿瘤数目、肿瘤大小、血管侵犯、淋巴结转移、肝内转移、肝包膜浸润、分化、TNM分期无关，Mfn2高表达肝癌患者比低表达患者有更长的总生存期，Mfn2表达是肝癌患者的独立预测因素。Zhou等[26]研究发现，肝细胞癌组织中miR-761升高而Mfn2降低，在体外，miR-761增强肝癌细胞的迁移和侵袭能力，而miR-761抑制剂则抑制肝癌细胞的增殖。故证实miR-761抑制剂介导肝癌细胞凋亡是通过促进Mfn2的表达来实现的。

膀胱癌是泌尿生殖系统常见的恶性肿瘤。Jin等[27]研究结果显示，膀胱癌组织中Mfn2 mRNA和蛋白表达均明显低于正常膀胱组织。Mfn2过表达在膀胱癌细胞有明显的抗肿瘤效应，Mfn2使细胞周期由G1向S期的转变过程发生停滞，上调的Caspase-3和PARP水平引起细胞凋亡。在白云等[28]对膀胱癌组织及甘妙平等[29]对肾癌的实验中同样得出相同的研究结果。以上研究皆提示Mfn2是膀胱癌的潜在抑制基因。

2.3 CMT CMT是一种最常见的遗传性周围神经病变，以四肢远端进行性肌无力及感觉障碍为主要临床特征，其发病率约为1/2 500。按照临床症状与电生理特点，CMT可以分为CMT1型和CMT2型。线粒体和神经元之间的关系对于神经元的功能是必不可少的，因此线粒体生理缺陷可能导致神经退行性疾病，而Mfn2是线粒体功能的一个关键蛋白，从而推断Mfn2突变与神经系统疾病有关[30]。目前报道有超过100例CMT2A是由Mfn2基因突变导致的[31]，这些突变主要位于GTP酶区和下游的HR1区。Mfn2蛋白的94位氨基酸残基最容易发生突变，其密码子突变为R94W和R94Q[30]，该位点位于GTP酶区上游，它被认为是突变的一个热点区域。线粒体在细胞内的适当定位是至关重要的，特别是对神经元，它需要线粒体内的树突和突触末端通过ATP和缓冲钙的产生来支持正常的神经功能[32]。有研究表明Mfn2基因突变改变线粒体融合，因此线粒体形态导致不同的球形或椭圆形的线粒体大小[33]，从而影响神经元的正常功能。线粒体融合与分裂平衡失调导致过度的线粒体分裂，从而改变线粒体易位和能量在突触部位的产生，导致突触功能障碍，树突和轴突变性，因此产生神经退行性疾病[32]。而Mfn2功能缺陷是导致线粒体融合-分裂过程失衡的重要因素。另外有研究显示，Mfn2突变可引起长时间运动和感觉轴突的特定变性，这很可能是因为远离细胞体的高代谢区域对线粒体受损更为敏感[33]。新近有研究[31]发现，Mfn2编码区730号核苷酸突变(c.730G>A/p.Val244Met)可能是CMT2A致病突变，但仍需要进一步调查。

随着Mfn2研究的不断深入和涉及领域的扩展，Mfn2的功能越来越受到重视。但目前仍有许多问题需要解决，例如Mfn2不同结构的功能是否有差异或者是否存在联系，是怎样通过调控细胞的生物学功能来参与生物过程的，除了已明确的信号通路外是否还有别的信号传导通路，细胞生物学意义也有待进一步阐述。此外，可进一步了解Mfn2在疾病中的机制和作用，为相关疾病的治疗提供新的见解及思路。

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10.3969/j.issn.1002-266X.2017.38.035

Q26

A

1002-266X(2017)38-0106-04

云南省卫生和计划生育委员会内设机构项目(2014NS048)；云南省卫生和计划生育委员会医学学科带头人培养项目(D-201615)；昆明医科大学科技创新团队项目(CXTD201605);云南省中青年学术和技术带头人后备人才项目(2017HB038)。

方克伟(E-mail: 2482099228@qq.com)

2017-06-12)