线粒体分裂融合与细胞氧化还原交互调控作用的研究进展

郑义鹏，魏学敏， #，周庆彪，赵九洲 ， 张晓迪，孔德钦 ， 海春旭， *，于卫华，*

(1.空军军医大学基础医学院学员队，陕西西安710032；2.空军军医大学军事预防医学院，军事毒理学教研室，陕西西安710032)

线粒体分裂与融合过程是细胞生命过程中的基本事件。正常情况下，二者协同进行并保持动态平衡，以维持细胞内线粒体的数目、形态、结构和功能稳定[1]。而分裂融合的稳态异常均可导致细胞线粒体损伤，引起膜电位降低和自噬降解。研究表明氧化应激与线粒体损伤关系密切，二者互为因果，在多种生理和病理过程中发挥关键调控作用。然而，作为线粒体稳态和健康的重要调控机制，线粒体分裂融合与细胞氧化还原信号间的关联尚未有明确结论。本文基于前期研究及文献报道，对二者的相互调控关系及其潜在机制进行综述。

1 线粒体分裂融合与细胞氧化还原概述

作为真核细胞氧化磷酸化代谢的主要场所，线粒体健康对于维持细胞结构功能具有重要意义。线粒体主要以“线”和“粒”两种形式存在，彼此不断相互转化，处于动态平衡之中。线粒体分裂(mitosis)是指其双层膜结构凹陷断裂一分为二的过程；而线粒体融合(mitofusion)则指两个独立的线粒体通过彼此内外膜的锚定接触，汇合为一个线粒体的现象。线粒体分裂增强或融合减弱，可导致其数目增多，长度变短，形态由管网状转变为碎片颗粒状。线粒体分裂不足或融合过度，会导致线粒体形态延长，表现为管网状形态增强。研究提示，线粒体形态可能决定了细胞内供应水平和呼吸代谢方式。融合态线粒体的内部嵴结构丰富，电子传递链相关复合物接触紧密，氧化磷酸化效率较高。而处于分裂态的线粒体，内部嵴结构破坏，表现为氧化磷酸化减弱和糖酵解代谢增强。在细胞增殖过程中，线粒体发生显著分裂，呈现颗粒状并平均分配到两个子代细胞，细胞复制完成后恢复正常管网状形态[2]。因此，线粒体融合与分裂间的失衡引起其结构功能异常，并影响细胞乃至机体的健康。因而，在肿瘤、肝脏病变、神经性病变和缺血再灌注损伤等病理过程中都观察到线粒体的分裂融合失衡，调节其稳态可改善疾病的发生和发展进程[3-4]。

氧化还原是生物体内最基本的化学反应过程。在生理和病理条件下，机体细胞可生成大量活性氧(reactive oxygen species，ROS)，主要包括过氧化氢(H2O2)、超氧阴离子自由基(O-.)和羟自由基(HO·)等。且细胞内ROS反应存在自由基连锁放大效应，彼此之间可以相互转化。为避免细胞遭受ROS损伤，机体内存在一套有效的抗氧化体系，可对细胞内ROS水平进行精密调控，维持氧化还原平衡。其中，核转录因子Nrf2是细胞内对抗氧化损伤的重要调控分子，Nrf2可通过与细胞核内抗氧化元件结合，启动下游过氧化氢酶、超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶和血红素加氧酶1等抗氧化酶谱，清除体内多余自由基[5]。但在外界不利刺激和病理状态下，机体ROS生成增多，并逐步抑制或耗竭机体抗氧化系统，最终造成体内氧化还原平衡紊乱，导致氧化损伤。研究发现ROS在机体中具有广泛的生物学作用，且其功能依赖于其存在的位置、种类和剂量。低剂量的ROS可作为信号分子参与细胞内多种生命过程调控，包括增殖、分化和代谢[6]。而高剂量ROS会对蛋白质、脂质和核酸等造成过氧化修饰，进而引起细胞的代谢紊乱、凋亡和坏死[7]。因此，氧化还原平衡紊乱与多种疾病发生发展密切相关，包括肿瘤、炎症、2型糖尿病、缺血再灌注损伤和神经系统疾病等[8-10]。通过抗氧化干预探索疾病发生机制以及治疗策略，是近年来临床和基础研究的热点。

2 氧化应激与线粒体损伤

线粒体在进行氧化磷酸化代谢中会产生大量的电子漏出，并与氧气结合形成。研究表明，正常细胞内单个线粒体平均每天产生3×个，而在线粒体损伤状态下电子漏出和ROS生成将进一步增多。近年来研究提示，线粒体不仅是ROS的生成场所，也是ROS的重要攻击靶点。线粒体的双层膜结构含有大量的不饱和脂肪酸，极易受到和HO·等ROS的攻击，造成细胞膜的脂质过氧化和流动性降低，进而影响其结构功能稳定。同时，线粒体DNA缺乏组蛋白保护，且与氧化磷酸化场所(线粒体内膜)相距甚近，极易受到自由基的攻击，从而引起线粒体功能障碍，最终造成细胞的衰老与死亡。因而，线粒体损伤和ROS生成过程相互促进，即ROS可引起线粒体结构功能损伤，而损伤的线粒体又会进一步引起ROS释放增加，形成恶性循环。合理使用抗氧化剂可有效抑制多种途径诱导的线粒体损伤，从而改善氧化还原平衡稳态。

3 线粒体分裂融合的分子调控机制

线粒体分裂和融合过程依赖于一系列GTPases水解酶的动力作用，通过改变线粒体膜构象，实现对线粒体数目、形态和功能的精确调控[11]。线粒体分裂相关蛋白主要包括动力相关蛋白1(dynamin-related protein1，Drp1)和分裂相关蛋白1(fission1，Fis1)。在线粒体分裂时，Drp1表达升高，发生磷酸化改变，并集合到线粒体外膜的分裂位点上形成环状结构[13]。最终，通过GTP水解作用发生构象改变，收缩线粒体，为后续Fis1介导的分裂过程作重要准备，且整个过程需要消耗ATP。因此，Drp1介导的外膜凹陷收缩是线粒体分裂的第一步，也是最关键的一步，其表达和活性决定了细胞线粒体的稳态。哺乳动物线粒体外膜融合过程主要由线粒体融合相关蛋白1(mitofusion1，Mfn1)和蛋白2(mitofusion2，Mfn2)介导，而内膜融合主要依赖于视神经萎缩蛋白1(optic atropy1，OPA1)，整个融合过程都需要消耗ATP[11]。研究证实，Mfn1和Mfn2敲除小鼠成纤维细胞，线粒体融合减弱，由管网状结构转变为碎片化[14]。

线粒体分裂融合相关蛋白的表达决定了其结构功能稳态，并在机体多种生命活动和疾病中发挥关键作用。线粒体分裂相关蛋白表达减弱，会导致能量合成障碍，造成细胞分裂抑制、精子活力降低和肌肉无力。而线粒体分裂蛋白过度表达，也会影响细胞的钙稳态和氧化还原平衡，参与凋亡和细胞衰老过程[15]。Drp1依赖的线粒体分裂增强，可促进细胞色素C释放和凋亡小体形成，而敲除Drp1可阻断多种因素诱导的细胞凋亡[16-17]。线粒体融合对于胚胎发育具有重要意义，M fn1或Mfn2基因敲除小鼠在妊娠中期会出现胎盘发育缺陷而死亡，而双敲除小鼠在发育中死亡更早[18]。OPA1的突变或缺失容易引起遗传性视神经功能萎缩。同时，线粒体的融合增强是肿瘤细胞适应营养缺乏环境的重要机制，能够通过影响调控重编程抑制肿瘤细胞的凋亡。因此，线粒体分裂融合稳态是维持机体细胞结构功能稳态的重要基础，一旦平衡被打破，则有可能引起细胞损伤和机体病变。

4 ROS信号在线粒体分裂融合转换中的关键作用

大量研究证实，在多种疾病研究模型中都观察到了氧化还原信号和线粒体分裂融合的平行性变化，提示二者之间具有关联性[19]。例如，线粒体复合物Ⅰ活性的显著降低，会导致人原代成纤维细胞内ROS升高和线粒体长度缩短[20]。外源性HO刺激会导致Mfn1或Mfn2的降解增强，导致线粒体融合减弱[21]。骨骼肌细胞内ROS水平的升高会导致线粒体膜电位的崩解，并最终引起线粒体碎片化[22]。而增加细胞内一氧化氮(NO)水平，则可促进Drp1依赖的线粒体分裂。相反，采用抗氧化剂Trolox可促进成纤维细胞线粒体融合，增强线粒体管网状结构和氧化磷酸化水平[23]。清除NO可促进人肺动脉内皮细胞线粒体的融合过程。然而，果蝇创伤模型中高剂量ROS可促进Drp1依赖的线粒体分裂和破碎，而低剂量ROS会增强线粒体的融合和管网状变化。目前，低剂量ROS对线粒体的影响尚不确定，大部分结论认为低水平ROS不会改变线粒体形态结构，也有研究认为低剂量ROS可促进线粒体融合。还原型谷胱甘肽(glutathione，GSH)是细胞内重要的抗氧化剂，GSH降低可导致线粒体和细胞质氧化产物蓄积。在人成纤维细胞中，耗竭GSH可引起线粒体的分裂增强和长度缩短[24]。但也有报道提示，HeLa细胞中GSH水平降低可促进线粒体融合，并对线粒体凋亡和自噬具有一定的保护作用[25]。造成这种差异的原因可能涉及研究中GSH的降低程度不一致，同时不同种类细胞的抗氧化能力也存在差异，最终影响了细胞内氧化还原平衡和线粒体稳态。因此，我们认为ROS信号可扰乱线粒体的分裂融合过程，高剂量ROS可促进线粒体分裂和功能紊乱，而清除多余ROS则会导致线粒体由分裂态向融合态转变。

研究表明ROS参与了线粒体分裂融合关键蛋白的表达调控和翻译后修饰。因此，我们总结了ROS信号与分裂融合相关蛋白Drp1、Mfn1、Mfn2和OPA1的调控作用。NO可以促进神经元细胞中Drp1的亚硝基化修饰，增强GTPase水解活性和线粒体分裂[26]。淀粉样蛋白 β可通过生成ROS，促进神经小胶质细胞Drp1的丝氨酸616位点磷酸化修饰，进而调控线粒体分裂和碎片化[27-28]。同时，ROS可通过cAMP依赖蛋白激酶A(PKA)调控Drp1的磷酸化。线粒体内膜融合蛋白OPA1可以在NO作用下发生亚硝基化修饰。活性氧调节蛋白1可影响OPA1的寡聚化和活性，在维持线粒体融合中发挥重要作用[29]。此外，ROS通过c-Jun氨基末端激酶途径介导线粒体外膜融合蛋白Mfn2的磷酸化[30]。因此，ROS信号可能在线粒体分裂融合调控中发挥了关键作用。

5 线粒体分裂融合对细胞氧化还原稳态的调节作用

作为线粒体稳态调控的重要机制，线粒体分裂融合可能参与调控细胞氧化还原。研究表明，分裂增强可引起线粒体结构功能的改变，影响线粒体复合物活性和电子传递，最终导致电子漏出和ROS生成。抑制Drp1可抑制缺血再灌注小鼠心肌和血管内皮细胞的氧化应激和凋亡，改善心脏功能[31-32]。线粒体分裂可通过影响钙稳态平衡调控肿瘤细胞ROS水平，并促进癌细胞的迁移。线粒体分裂抑制剂可抑制星形小胶质细胞的氧化损伤[33]。我们在炎症模型中，给予Drp1抑制剂可有效阻断脂多糖诱导的巨噬细胞ROS水平升高和炎症反应。而线粒体融合可以促进基因缺陷和损伤线粒体的功能修复，减少电子漏出，抑制ROS生成[34]。2016年《Cell》杂志报道表明，T细胞中线粒体分裂增强可促进糖酵解代谢和ROS水平升高，调控其向效应T细胞转化；而线粒体融合增强可促进氧化磷酸化氧化还原平衡，调控其向记忆T细胞分化[35]。因此，线粒体分裂融合可能参与细胞氧化还原调控过程，分裂过程增强促进细胞ROS水平升高，而融合增强则会抑制ROS生成。

6 线粒体分裂融合与细胞氧化还原交互调控机制

线粒体通过不断的分裂融合过程维持自身稳定，分裂增强会引起线粒体碎片化，而融合会促进线粒体管网状结构增强。大量细胞和体内研究表明，细胞内氧化还原稳态与线粒体动力学变化密切相关，二者之间存在交互调控作用。如图1所示：一方面，在病理和不利因素刺激作用下，线粒体发生过度分裂和碎片化，电子传递链遭到破坏，导致大量电子漏出和ROS生成。而线粒体的融合增强，可提高呼吸链相关蛋白活性，修复损伤线粒体，改善氧化应激水平。另一方面，ROS和活性氮(RNS)可调控分裂融合相关蛋白的表达和修饰，进而对线粒体形态和功能产生影响。同时，给予抗氧化剂可抑制线粒体分裂，促进线粒体融合和管网状结构增强。因此，线粒体分裂融合与细胞氧化还原稳态存在循环性交互作用，阐明其相互关系有助于深刻认识氧化损伤和线粒体功能障碍疾病的发生发展机制，为相关疾病防治提供新的思路和策略。

图1 线粒体分裂融合与细胞氧化还原交互调控机制

[1]LEE H，YOONY.Mitochondrial fission and fusion[J].Biochem Soc Trans，2016，44(6)：1725-1735.

[2]赵光举，卢中秋，姚咏明.哺乳动物细胞线粒体融合-分裂与钙离子信号的关系[J].生理科学进展，2010，41(3)：171-176.

[3]SANCHIS-GOMAR F，DERBRE F.Mitochondrial fission and fusion in human diseases[J].N EnglJMed，2014，370(11)：1073-1074.

[4]许美芬，何轶群，管敏鑫.线粒体融合、分裂与神经变性疾病[J].中国生物化学与分子生物学报，2013，29(2)：1113-1119.

[5]WANG X，HAI C.Novel insights into redox system and the mechanism of redox regulation[J].Mol Biol Rep，2016，43(7)：607-628.

[6]师腾瑞，于卫华，海春旭，等.活性氧调控细胞增殖的分子机制研究进展[J].癌变 · 畸变 · 突变，2015，27(6)：487-489，492.

[7]CIRCUM L， AW TY.Reactive oxygen species， cellular redox systems，and apoptosis[J].Free Radic BiolMed，2010，48(6)：749-762.

[8]韩孝先，刘泽宇，周庆彪，等.线粒体在炎症调控中的作用研究进展[J].癌变·畸变· 突变，2017，29(6)：467-470.

[9]于卫华，周庆彪，刘颖，等.活性氧调控炎症诱发肿瘤机制的研究进展[J].癌变·畸 变· 突变，2016，28(2)：158-161.

[10]BRIEGER K，SCHIAVONE S，MILLER FJ，et al.Reactive oxygen species：from health to disease[J].SwissMed Wkly，2012，142：w13659.

[11]VAN DER BLIEK AM，SHEN Q，KAWAJIRI S.Mechanisms of mitochondrial fission and fusion[J].ColDSpring Harb Perspect Biol，2013，5(6)：1-17.

[12]孟紫强，耿红.与线粒体分裂有关的蛋白质研究进展[J].生命的化学，2002，22(2)：118-120.

[13]郝希纯，王东明.Drp1蛋白调节线粒体分裂机制及其在疾病中的作用[J]. 广东医学，2011，32(8)：1066-1069.

[14]刘雪梅，孟庆华.线粒体融合蛋白-2研究进展[J].北京医学，2011，33(6)：497-501.

[15]蒋春笋，肖伟明，陈佺.线粒体分裂、融合与细胞凋亡[J].生物物理学报，2007，23(4)：256-264.

[16]ZHAO G，CAO K，XU C，et al.Crosstalk between mitochondrial fission and oxidative stress in paraquat-induced apoptosis in mouse alveolar type II cells[J]. IntJBiol Sci，2017，13(7)：888-900.

[17]ESTAQUIERJ，ARNOULTD.Inhibiting Drp1-mediated mitochondrial fission selectively prevents therelease of cytochrome c during apoptosis[J].Cell Death Differ，2007，14(6)：1086-1094.

[18]CHEN H，CHAN D C.Physiological functions of mitochondrial fusion[J].Ann NY AcaDSci，2010，1201：21-25.

[19]WILLEMS P H，ROSSIGNOL R，DIETEREN C E，et al.Redox homeostasis and mitochondrial dynamics[J].CellMetab，2015，22(2)：207-218.

[20]KOOPMAN WJ， NIJTMANS L G， DIETEREN C E， et al.Mammalian mitochondrial complex I： biogenesis， regulation， and reactive oxygen species generation[J].Antioxid Redox Signal，2010，12(12)：1431-1470.

[21]RAKOVIC A，GRUNEWALD A，KOTTWITZJ，et al.Mutations in PINK1and Parkin impair ubiquitination ofMitofusins in human fibroblasts[J].PLoSOne，2011，6(3)：e16746.

[22]FAN X，HUSSIEN R，BROOKS G A.H2O2-induced mitochondrial fragmentation in C2C l2myocytes[J].Free Radic BiolMed， 2010，49(11)：1646-1654.

[23]DISTELMAIER F，VALSECCHI F，FORKINKM，et al.Troloxsensitivereactive oxygen species regulate mitochondrial morphology，oxidative phosphorylation and cytosolic calcium handling in healthy cells[J].Antioxid Redox Signal，2012，17(12)：1657-1669.

[24]VERKAARTS，KOOPMAN WJ，CHEEKJ，et al.Mitochondrial and cytosolic thiol redox state are not detectably altered in isolated human NADH：ubiquinone oxidoreductase deficiency[J].Biochim Biophys Acta，2007，1772(9)：1041-1051.

[25]SHUTTT，GEOFFRIONM，MILNE R，et al.The intracellular redox state is a core determinant of mitochondrial fusion[J].EMBO Rep，2012，13(10)：909-915.

[26]BARSOUMMJ，YUAN H，GERENCSER A A，et al.Nitric oxideinduced mitochondrial fission is regulated by dynamin-related GTPases in neurons[J].EMBOJ，2006，25(16)：3900-3911.

[27]CHO D H，NAKAMURA T，FANGJ，et al.S-nitrosylation of Drp1 mediates beta-amyloid-related mitochondrial fission and neuronal injury[J].Science，2009，324(5923)：102-105.

[28]谢南昌，陈晨，王翠，等.线粒体分裂蛋白抑制剂对β淀粉样蛋白诱导小胶质细胞凋亡的作用及机制[J].神经损伤与功能重建，2014，9(5)：365-368.

[29]NORTONM，NG A C，BAIRDS，et al.ROMO1is an essential redox-dependent regulator of mitochondrial dynamics[J].Sci Signal，2014，7(310)：a10.

[30]LEBOUCHER G P，TSAIY C，YANGM，et al.Stress-induced phosphorylation and proteasomal degradation of mitofusin2facilitates mitochondrial fragmentation and apoptosis[J].Mol Cell，2012，47(4)：547-557.

[31]ZEPEDA R，KUZMICICJ，PARRA V，et al.Drp1loss-of-function reduces cardiomyocyte oxygen dependence protecting the heart from ischemia-reperfusion injury[J].J Cardiovas Pharmacol，2014，63(6)：477-487.

[32]刘立栋，程锦，张荣庆，等.线粒体分裂抑制剂Mdivi-1对大鼠心肌微血管内皮细胞缺血再灌注损伤的保护作用[J].现代生物医学进展，2013，13(7)：1223-1227.

[33]谢南昌，陈晨，王翠，等.线粒体分裂蛋白抑制剂对小胶质细胞氧化损伤的保护作用[J].神经损伤与功能重建，2014，9(6)：464-467.

[34]耿红，孟紫强.线粒体融合机制研究进展[J].细胞生物学杂志，2003，25(1)：17-21.

[35]BUCKM D，O'SULLIVAN D，KLEIN G R，et al.Mitochondrial dynamics controls Tcell fate through metabolic programming[J].Cell，2016，166(1)：63-76.