线粒体融合-分裂与心力衰竭

胡 欢，李 萍，程晓曙

(南昌大学第二附属医院 心血管内科， 江西 南昌 330006)

心力衰竭(heart failure,HF)是一种复杂的临床综合征，是各种心脏疾病的终末严重阶段。近年来，国内外学者开展了大量有关HF的临床和研究工作，治疗HF的新药物的研发也有了较大的进展，然而心力衰竭的发病率和病死率仍然居高不下。因此，为更有效地治疗心力衰竭患者，改善预后，提高心力衰竭患者的生存率，寻找治疗心力衰竭新的切入点尤为关键。

线粒体对于人体心肌的发育和生长是必需的[1]，线粒体氧化磷酸化产生的ATP占体内ATP产生总量的90%，为心肌细胞的收缩与舒张提供能量。线粒体是细胞的能量工厂， 并精密调控细胞的

多种生理功能，例活性氧(ROS)，信号传导，Ca2+稳态以及细胞死亡过程的调节等。线粒体功能失调参与了多种心血管疾病的发病机制，例如心律失常[2]、心肌缺血[3]、心肌病[4]以及终末期的心力衰竭(HF)[5]。

线粒体是动态细胞器，有两种高度相对的调节过程：融合和分裂。线粒体发生融合时会形成相互连接的线粒体网，有利于线粒体DNA的遗传，并对维持细胞的新陈代谢有重要作用[6]。而线粒体发生分裂时产生分散细小的细胞器，在有丝分裂过程中及线粒体分裂的发生及细胞周期进程中尤为重要[7]。在哺乳动物心肌中，调节线粒体动力学的蛋白质表达很高，当心肌中这些蛋白的表达发生变化时，对心脏产生不良的影响，研究发现特异性基因敲除心肌线粒体动力蛋白1(dynamin-related protein 1,Drp1)可引起严重的心肌细胞坏死，选择性敲除线粒体融合蛋白时会出现不良的心肌重构[8]。因此，线粒体融合-分裂平衡可能对心脏的发育、Ca2+的信号传导、线粒体特性的维持及细胞死亡起着重要作用。现将线粒体融合-分裂在心力衰竭中的可能机制以及其潜在的治疗靶点作简要综述。

1 线粒体融合

线粒体融合主要由线粒体融合蛋白(mitofusin1，Mfn1和mitofusin2，Mfn2)及视神经萎缩蛋白1(optic atrophy1，OPA1)调节。Mfn1和Mfn2有相似的分子结构：N末端有GTP酶结构域、七肽重复序列1(HR1)，两个跨膜区域和C末端的七肽重复序列2(HR2)。Mfn1和Mfn2的跨膜区域嵌入线粒体的外膜中，而HR1和HR2则伸入细胞质中，OPA1则定位于线粒体内膜上以及内外膜间隙。

线粒体发生融合主要有3步：线粒体外膜的接合、线粒体外膜的融合和线粒体内膜的融合。首先，邻近线粒体融合蛋白的HR2相互作用形成同源二聚体(Mfn1-Mfn1或Mfn2-Mfn2)或者更强有力的异二聚体(Mfn1-Mfn2)，从而捆绑住相互靠近的线粒体[9]。最开始的接合使两个线粒体的外膜紧密结合从而启动线粒体外膜的融合，线粒体外膜融合后，OPA1接着调节线粒体内膜的融合。线粒体外膜和内膜融合的过程，其内在的调节机制复杂，有待进一步探究。

2 线粒体分裂

线粒体分裂主要受线粒体动力蛋白1(dynamin-related protein1,Drp1)调控，Drp1是动力蛋白家族GTP酶，由一个GTP酶结构域、中间结构域和一个C端GTP酶效应器组成。Drp1是一种胞质蛋白，能被其受体蛋白线粒体外膜蛋白(mitochondrial fission 1 protein,Fis1和mitochondrial fission factor,Mff)及线粒体动力蛋白(mitochondrial dynamics proteins of 49 and 51 ku,MiD49/MiD51)募集到线粒体从而促进线粒体的分裂[10]。

线粒体分裂过程中，胞质蛋白Drp1寡聚物在线粒体周围聚合形成螺旋结构，并且形成裂变点进而发挥分离线粒体的作用。目前，Fis1、Mff和MiD49/51在线粒体分裂过程中所扮演的具体角色并不十分明确，其可能作为相互间独立的Drp1的适配器而发挥作用[11]。许多学者还发现线粒体蛋白MTP18、神经节苷脂诱导分化相关蛋白1(GDAP1)、胞吞蛋白B1(EndoB1)和富含亮氨酸的重复蛋白激酶2(leucine-rich repeat kinase 2,LRRK2)等可能参与线粒体的分裂，其在线粒体分裂过程中的具体角色尚待探究。

3 线粒体融合-分裂平衡的调节

线粒体融合-分裂平衡的精密调控有助于线粒体发挥其正常功能，过氧化物酶体增殖物激活受体γ的共激活剂1α(PGC- 1α)是线粒体生物合成的关键调节因子之一，当机体能量需求增加时，它可以上调Mfn2的表达以应对这种变化。在研究肺动脉高压大鼠及患者时发现Mfn2表达水平的下降与PGC- 1α水平的下调相关[12]，这可能加快了心力衰竭的发展。此外，PTEN诱导的假定激酶1(PTEN induced putative kinase 1)能选择性集聚功能失常的线粒体，使Mfn2在Thr111和Ser442位置发生磷酸化，损伤线粒体导致线粒体自噬的发生[13]。

已广泛研究Drp1的磷酸化调节，细胞周期蛋白激酶(cyclin-dependent kinases1,CDK1)能使Drp1在Ser616发生磷酸化从而使Drp1定位到线粒体上，进而刺激线粒体的分裂。心肌细胞在缺氧复氧情况下，CDK1和钙调磷酸酶可上调Drp1，加速线粒体分裂引起心肌细胞坏死，而抑制CDK1可以减轻Ser616磷酸化水平，减轻心肌坏死的程度[14]。也有研究发现CDK1和c-AMP依赖的蛋白激酶A(protein kinase A,PKA)能使人的Drp1在Ser637位置发生磷酸化，导致Drp1的GTP酶活性受到抑制，最终导致线粒体分裂的水平减轻。Drp- 1的磷酸化似乎有不同的结果发生，其原因有待进一步研究。

4 线粒体融合-分裂和心力衰竭

线粒体的数量、结构和功能受到不同过程的调节，如线粒体融合、分裂及自噬。调节线粒体的这些过程发生异常是心力衰竭的发病环节[15]。在小鼠OPA1表达失调及线粒体分裂能引起心力衰竭[16],而过表达OPA1引起的线粒体融合，并不会对缺氧导致的H9C2细胞死亡产生保护作用。因此，视神经萎缩蛋白1(OPA1)对心力衰竭的作用机制仍需进一步研究。Drp1是治疗各种疾病的潜在靶点，包括心力衰竭。研究糖尿病小鼠心肌缺血再灌注模型时发现抑制Drp1能对缺血再灌注过程起到保护作用[17]，因此，抑制Drp1可能减缓心力衰竭的发展。本课题组研究发现，在盐酸异丙肾上腺素诱导的大鼠心力衰竭进程中，线粒体解偶联蛋白2(uncoupling proteins 2, UCP2)的表达升高，其可能参与了心力衰竭的发生发展过程。UCP2与线粒体融合-分裂密切相关，其可能通过影响线粒体融合-分裂平衡参与心力衰竭的进展[18]。

线粒体融合-分裂参与了细胞凋亡过程，线粒体的碎裂能引起促凋亡因子，如细胞色素C，核酸内切酶G等的释放从而诱导细胞发生凋亡，而细胞凋亡与心力衰竭的发生发展密切相关。在HL-1小鼠心肌细胞的缺氧复氧模型中发现预处理Drp1抑制剂能减轻心肌细胞凋亡，对心肌细胞起保护作用[19]。线粒体融合蛋白2(Mitofusin2,Mfn2)同样参与了心肌细胞凋亡的过程，当心肌发生氧化应激、缺血再灌注损伤或者心肌梗死时，Mfn2的表达水平明显上升。在低氧诱导的肺动脉高压模型中，心肌细胞过表达Mfn2可使Akt信号减弱，促进线粒体介导的凋亡途径[20]。和Mfn2促凋亡的作用类似，Mfn2-/-小鼠比正常小鼠在心肌缺血再灌注损伤后恢复更好[21]，基因敲除Mfn2后起着抗凋亡的作用，可能的原因是Mfn2不仅定位在线粒体上，也定位在内质网膜上。定位在内质网上的Mfn2也许有助于Ca2+从内质网流向连接的线粒体，而敲除Mfn2后能减轻线粒体的Ca2+超载从而对心肌起保护作用。有趣的是，有研究也证实了Mfn2的抗凋亡作用，在神经酰胺诱导心肌细胞凋亡过程中，上调Mfn2的表达抑制了心肌细胞的细胞色素C的释放，也发现上调Mfn2的表达能减轻香烟诱导的支气管上皮细胞凋亡[22]。因此，Mfn2在心肌细胞凋亡中的作用及影响心力衰竭的机制有待进一步研究。

心力衰竭患者的心肌细胞中，线粒体数目增多，尺寸变小，这与线粒体自噬水平的不足有关。Mfn2和Drp1都参与了线粒体的自噬过程[23]，线粒体自噬水平不足可引起心肌细胞稳态失衡，最终引起心力衰竭。线粒体分裂-融合平衡是线粒体发挥正常生理功能的关键因素，不仅参与维持线粒体DNA的稳定，也涉及能量合成及细胞衰老等重要的生命过程，线粒体功能是治疗心力衰竭的有效靶点，这已经达成了专家共识[24]。因此，在心力衰竭研究中，全面深刻地理解线粒体分裂-融合失衡在其中所扮演的角色，对心力衰竭的治疗有重要意义。

5 展望

线粒体融合-分裂的稳态对维持正常的心脏功能有重要作用，心力衰竭的发生与线粒体分裂-融合失衡密切相关，因此，重建线粒体融合-分裂的平衡成为治疗心力衰竭的潜在靶点，药物靶向治疗参与线粒体融合-分裂的组件使线粒体功能获得一个更好的状态，这也许是一种新的针对心力衰竭的治疗方法。目前，对线粒体融合分裂的具体调控机制仍不清晰，而心力衰竭发生发展的分子机制同样复杂，今后的研究重点应将二者结合在一起，进一步探究线粒体融合分裂相关调节蛋白在心力衰竭发病机制中的作用，为心力衰竭的临床治疗提供理论依据。

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