线粒体融合蛋白2在重大疾病中的作用

李鸿屹，雷林，韩松霖

（东北林业大学野生动物与自然保护地学院，黑龙江哈尔滨 150040）

线粒体融合蛋白2（Mfn2）是在线粒体外膜表达的具有三磷酸鸟苷（GTPase）活性的动力蛋白。Mfn2不仅参与线粒体融合，还可以通过调控细胞凋亡、线粒体自噬等生物过程影响细胞的代谢从而引起疾病。目前，Mfn2已被证实与高血压、白内障、肝癌、糖尿病等常见疾病的发生有密切关系。虽然一些具体的机制还不明确，但Mfn2有望成为一些疾病新的治疗靶点。

1 Mfn2的基础研究

1.1 Mfn2与线粒体融合

线粒体是一个可以根据代谢条件、发育阶段和环境刺激影响而变换形态的细胞器，其形态是通过自身的融合与分裂平衡而实现的[1]。目前，线粒体融合研究较多的是线粒体融合蛋白1（Mfn1）和Mfn2。Mfn1分子能与自身或与Mfn2分子结合，形成同型或异型二聚体，并通过GTP水解提供的能量介导线粒体外膜的融合，当两个临近线粒体的融合蛋白形成二聚体之后，两线粒体外膜就会就会紧密结合并相互融合，而线粒体内膜则需要视神经萎缩蛋白1（OPA1）介导融合[2]。抑制Mfn1的表达可以使线粒体加速分裂，但如果诱导Mfn2过量表达会对此进行抑制以减弱Mfn1缺失所造成的影响。在心肌细胞当Mfn1的表达减弱时，细胞线粒体会变为短棒状，而Mfn2在表达下降时会使线粒体片段化。尽管Mfn2表达降低会使线粒体分裂过度，但是在心肌细胞中由于线粒体之间连接紧密致使Mfn2的促融合作用仍然有效[3]。在最新的研究中，通过对比片段化的Mfn2在GTP周转周期不同阶段的构造，发现Mfn2不同于其他的动力蛋白，GTP通过GTPase水解后，Mfn2仍会形成持续的二聚体，从而使其具有高的膜系留效率[1],这一发现说明了Mfn2在线粒体融合的过程中承担着更重要的作用。

1.2 Mfn2与细胞凋亡

研究大鼠血管平滑肌（rVSMCs）凋亡机制的实验中发现，Mfn2的表达明显促进了rVSMCs的凋亡，而且细胞内Bax蛋白表达增强[4]。Bax蛋白是在细胞凋亡中有重要作用的Bcl-2蛋白家族中的一员。研究发现，Bcl-2蛋白家族成员众多，主要包括抑制细胞凋亡的蛋白Bcl-2、Bcl-xL、Mcl-1和促进细胞凋亡发生的Bax、Bak、Bok等，促凋亡蛋白Bax和Bak主要存在于细胞质中，在线粒体外膜上与Mfn2共定位，高表达的Mfn2可以抑制Bcl-2的表达，增加Bax和Bak的表达，Bax、Bak与膜上mfn2结合，使细胞膜通透性增大，促进细胞色素C的渗出引起细胞死亡，如果敲除Mfn2基因，Bax和Bak与线粒体的结合位点随即消失，线粒体便不能与促凋亡蛋白结合，细胞对凋亡的抵抗性增加[5]。

2 Mfn2与典型疾病相关性研究

2.1 Mfn2与白内障

先天性白内障是一种常见的的遗传疾病，也是视力损害的常见原因，而且70%的先天性白内障与晶状体病变有关。最近的研究中发现，Mfn2的表达在晶状体的分化过程中受到严格调控，首先Mfn2转录在胚形成的第10天被检测到，之后在晶状体上皮细胞中以低水平表达，在初级晶状体纤维细胞中以中高水平表达，在增殖的晶状体上皮表达又变为低水平表达[6]。如果表面外胚层中的Mfn2功能丧失，会导致一系列的先天性眼缺陷，其中就包括晶状体浑浊。在进一步的研究中发现，敲除小鼠表面外胚层Mfn2基因会影响晶状体细胞的增殖和凋亡，使晶状体在发育过程中存在严重缺陷，细胞增殖减少而凋亡增加[7]。在体外培养的人晶状体上皮细胞实验中，相较于正常细胞，敲除Mfn2基因后细胞凋亡率增加了两倍以上[2]。在目前的白内障治疗中，白内障超声乳化吸出术效果显著，但是在手术中残留的人晶状体上皮细胞会在白内障术后发生上皮-间质转化（EMT），从而导致后发性的白内障发生，其中诱发这种转化的因素为转化生长因子β2（TGF-β2）[8]。研究人员用TGF-β2处理人晶状体上皮细胞后通过实时检测，发现人晶状体上皮细胞在发生EMT的时候Mfn2表达量上调，说明Mfn2参与了TGF-β2诱导人晶状体上皮细胞的EMT过程[9]。结合这几项研究可以发现，Mfn2对晶状体的影响具有多样性。如果Mfn2在胚胎中的表达缺失会影响晶状体细胞的增殖和凋亡，从而引起先天性的白内障；与此同时，Mfn2又会参与上皮-间质转化的过程诱发后发性白内障。由此推测，控制Mfn2表达或许可以成为预防先天性白内障和治疗后发性白内障的新思路。

2.2 Mfn2与肝癌关系

肝细胞癌（HCC）是最常见的原发性肝癌亚型，在HCC发病机制中脂质代谢异常是关键环节之一[10]。肝细胞的脂肪生成和脂质积累可能会导致广泛脂毒性、氧化应激和细胞凋亡，引起坏死性炎症。随后，炎性细胞因子释放引起肝纤维化、肝硬化，导致癌症相关的分子信号通路激活，进而发展为HCC[11]。而在脂质代谢过程中，Mfn2与之密切相关。研究中也发现Mfn2在HCC中低表达，而且Mfn2的表达量与HCC的临床分期、有无淋巴结转移以及肿瘤分化程度密切相关[12]。肝脏是人体主要的代谢器官，是脂质运输的中转枢纽，肝脏内有各种相关代谢酶来调节脂质的代谢，而Mfn2在脂质的代谢过程中很有可能与调节酶有密切关系或者影响着产生代谢酶细胞的功能。关于这一点，研究人员在17β羟基类固醇脱氢酶13（HSD17B13）的研究中取得了进展。在最新的一项研究中，研究人员通过实时检测发现Mfn2和HSD17B13有着直接的关系，检测结果显示相对于癌旁组织，肝癌组织中的Mfn2与HSD17B13表达明显下降，且两者的表达呈显著正相关，而且HSD17B13作为能催化类固醇和脂代谢的酶，是调节肝脏脂质稳态的关键分子，其表达与肝脏脂肪代谢和肝癌发展有密切联系[13]。虽然同样为参与肝脏脂代谢的两种分子，但Mfn2与HSD17B13的直接关系目前还有待深入研究。除脂代谢异常外，微小RNA（（miRNA）也是抑制肝癌细胞增殖和促进凋亡的一个重要因素。在最新的研究中，肝癌细胞Huh-7中的miR-150可能通过上调Mfn2的水平抑制肝癌细胞的增殖、迁移、侵袭，并促进其凋亡[14]。目前，越来越多的研究表明Mfn2参与到肝癌发生过程中，虽然具体的机制尚未得知，但是将Mfn2作为治疗靶点或许可以找到治疗肿瘤疾病的新方案。

2.3 Mfn2与Ⅱ型糖尿病

在对Ⅱ型糖尿病（T2DM）的研究中，越来越多证据表明T2DM的发生与胰岛素抵抗有着密切的关系；同时，过氧化物酶体增殖物受体γ共激活因子1α（PGC-1α）是胰岛素抵抗中重要的调节因子之一。在骨骼肌中的，细胞代谢旺盛含有丰富的PGC-1α，PGC-1α调控骨骼肌中的线粒体发生、糖代谢等生物过程参与胰岛素抵抗，而这些生物过程往往与Mfn2的表达密切相关。研究发现，胰岛素抵抗状态的形成与PGC-1α、Mfn2的表达均下降有关[15]。两者的协同关系是由于有着相似的组织表达谱，而Mfn2基因启动子区域含有PGC-1α的顺式作用元件，说明PGC-1α可以调控Mfn2的表达[16]。除此之外，Mfn2启动子区域还存在Krüppel样因子4（KLF）的结合位点，KLF4同样也可以调控Mfn2的表达。经过实验得知，胰岛素抵抗骨骼肌细胞中Mfn2和葡萄糖代谢显著下降，而KLF4过表达可以增加Mfn2、GLUT4（葡萄糖转运蛋白）的表达，使骨骼肌的胰岛素抵抗得以改善[17]。根据上述研究结果，Mfn2参与胰岛素抵抗的机理应该是T2DM造成Mfn2表达下降，使线粒体结构异常从而影响到糖酵解、糖异生、糖原合成分解等功能，导致胰岛素抵抗。在最新的研究的中发现，褪黑素与Neu-p11（一种新型褪黑素受体激动剂）可通过介导T2DM大鼠肝脏Mfn2 mRNA的表达来参与改善胰岛素抵抗[18]。

3 结语

随着分子生物学的进展，Mfn2的生物学功能和作用机制定会有更明确的结果，并以此为基础为相关疾病的诊断、治疗提供新的方向。