MCU 及复合物与人类相关疾病的研究进展

赵杨，王培，杨颖 综述，习瑾昆，贺永贵 审校

（1.华北理工大学基础医学院，河北省慢性疾病基础医学重点实验室，唐山 063000；2.华北理工大学公共卫生学院，唐山 063000；3.华北理工大学临床医学院，河北省医工融合精准医疗重点实验室，唐山 063000）

线粒体是（ATP）生成的重要场所，也是细胞Ca2+信号传递的积极参与者，它可以通过缓冲作用来维持细胞内Ca2+水平，当胞质内Ca2+浓度升高时，线粒体有效地吸收Ca2+，以维持胞质内Ca2+浓度平衡，这种线粒体Ca2+吸收机制是由高选择性的线粒体钙离子单向转运蛋白（mitochondrial calcium uniporter，MCU）及其复合物介导的[1]。MCU 功能受损，导致线粒体Ca2+超载，触发细胞色素C 释放，活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）过度产生，线粒体通透性转换孔 （mitochondrial permeability transition pore，mPTP）开放，线粒体肿胀，最终导致细胞凋亡[2]。MCU及其复合物在疾病的发展过程中具有关键作用。因此，探究其作用与功能可能成为多种疾病治疗的重要靶点之一，文中回顾了MCU 及MCU 复合物的功能，以及在不同疾病中的作用，以期为以后多种疾病的治疗策略提供参考。

1 MCU

MCU 是重要的Ca2+转运蛋白，在大多数真核生物中表达，在细菌基因组中也可检测到MCU 同源物。MCU 蛋白由两个跨膜螺旋与一个含酸性残基的短环相连，MCU 是较大的MCU 复合物中的中心Ca2+转运通道，MCU 有助于线粒体Ca2+的吸收，以应对细胞内Ca2+的小幅度生理性升高和线粒体外Ca2+的大幅度升高[3]。MCU 单向转运Ca2+的作用在不同系统中得到了证实[4-6]，研究显示，沉默MCU 可以抑制肝细胞线粒体Ca2+的吸收[4]，新生大鼠心肌细胞[5]、神经元[6]中沉默MCU 也有类似的现象。这证实了MCU 是Ca2+急性涌入线粒体基质所必要的蛋白。

2 MCU 复合物

生理情况下，MCU 并非单独发挥功能，它与其他蛋白分子结合，构成线粒体Ca2+转运体复合物，从而共同参与线粒体Ca2+的转运。线粒体Ca2+单向转运蛋白复合体由核心通道蛋白MCU、线粒体钙摄入蛋白（mitochondrial calcium uptake，MICU）、线粒体负性孔隙形成亚基（MCU regulatory subunit b，MCUb）以及其他线粒体钙单向转运体调节蛋白（essential mitochondrial calcium uniporter tegulator，EMRE）共同组成[7]。图1 为MCU 复合物示意图。

图1 MCU 复合物示意图

2.1 MICU 家族 包括MICU1 和MICU2 两个同源蛋白，其分子量为45～55 KD。MICU1 蛋白位于线粒体内膜（inner mitochondrial membrane，IMM），而与Ca2+结合的两个EF 臂结构面向线粒体膜间隙（intermembrane space，IMS）。研究显示，与Ca2+结合的EF 臂为MCU 通道活性调节器，当细胞内Ca2+浓度下降，MICU1 使MCU 处于关闭状态，防止Ca2+流入线粒体基质；当Ca2+浓度增加，MICU1 的EF 臂结构诱导MCU 开放，使Ca2+流入线粒体基质。因此，MICU1 发挥“守门员”的作用[8]。MICU2 蛋白位于IMS，广泛分布于内脏器官[9]。研究表明，MICU1、MICU2 与MCU 三者之间相互作用[8]，在HeLa 细胞中，MICU2 表达降低多由MICU1 的减少所致，而过表达MCU 会促进MICU1 和MICU2 的表达[10]。

2.2 MCUb MCUb 是一个33 KD 的调节蛋白，其与MCU 序列相似性为50%。就蛋白拓扑结构而言，MCUb 与MCU 相似度极高，由于它具有N 端和C端均指向IMS 的两个跨双层膜的结构域，因此MCUb 的表达水平较低。正常细胞中MCUb 的过表达会抑制线粒体Ca2+摄取[11]。

2.3 EMRE EMRE 是10 KD 的单通道跨膜蛋白，是构成单向转运复合物的亚基，位于IMM 上且具有高度保守性，其C 末端区域富含有天冬氨酸。研究证明，EMRE 具有桥接作用，将处于IMS 的钙离子感受蛋白MICU1、MICU2 和处于IMM 上的MCU 结合在一起[12]。EMRE 下调可使线粒体Ca2+水平显著降低，提示线粒体Ca2+摄取需要EMRE 的参与[12]。

3 MCU 及复合物与人类疾病

3.1 MCU 及复合物与肿瘤 线粒体Ca2+水平在肿瘤发生与发展中起着重要作用。MCU 在不同类型癌症中表现出不同的表达水平。MCU 在乳腺癌和结直肠癌中的作用得到了广泛的研究，乳腺癌中，MCU高表达促进了癌细胞上皮间质转化和转移[13]。最近研究显示，MCU 在癌细胞迁移和侵袭中发挥重要作用，MCU 表达与三阴性乳腺癌（triple negative breast cancer，TNBC）的肿瘤大小和淋巴结浸润有关[14]。敲除MCU 可以减弱癌细胞的侵袭能力，抑制肿瘤生长，沉默MCU 可以抑制线粒体ROS 产生并降低低氧诱导因子（HIF）1-α 的表达[14]。在乳腺癌中，MCU水平与HIF1-α 信号转导呈正相关[15]。总之，MCUROS 的相互作用是TNBC 的一个重要调节因素，可以作为TNBC 治疗的一个重要靶点。

在结肠癌中，MCU 的过度激活促进了癌细胞的增殖，而MCU 的敲除和抑制可大大减少癌症的发展，过表达MCU 及复合物可能有助于癌细胞的化疗效果[16]。在胰腺癌和结肠癌中，MICU1 和MICU2的过度表达会降低线粒体Ca2+水平，并防止线粒体Ca2+超载诱导的细胞凋亡[17]。在胰腺癌中，组氨酸三联体核苷酸结合蛋白（histidine triad nucleotide-binding protein，HINT2）能促进细胞死亡，这与MCU 调节和Ca2+流入有关[18]。HINT2 的表达可抑制细胞凋亡，此作用被MCU 抑制剂钌红所阻断，而腺病毒载体过度表达HINT2 会增加线粒体的Ca2+，使MICU1 和MICU2 下调、EMRE 上调[18]。MCU 及其复合物在多种肿瘤中发挥作用，抑制其功能，可以缓解肿瘤的发展。

MCU 不仅参与肿瘤的发生与发展，也与类癌症疾病如肺动脉平滑肌细胞过度增殖、迁移和抵抗凋亡等密切相关，肺动脉高压（pulmonary aterial hypertension，PAH）时血管病变导致MCU 复合体受损，MCU 下调和MICU1 蛋白上调[19]。MCU 功能失调不仅使细胞内Ca2+超载引起细胞增殖和迁移，而且还减少了线粒体Ca2+，从而抑制了丙酮酸脱氢酶和葡萄糖的氧化，而microRNA 介导的MCU 及复合物可以作为调控目标，在疾病的早期阶段，具有关键的指导作用[20]。MCU 及复合物与临床多种肿瘤及相关疾病关系密切，其在不同肿瘤中的作用还需进一步深入探究。

3.2 MCU 及复合物与神经性疾病 神经元作为可兴奋的细胞，不断发射动作电位，并产生大量的Ca2+信号，以增加代谢需求来维持Ca2+的平衡。帕金森病（Parkinson′s disease，PD）是由α-synuclein 在大脑中聚集而引起线粒体Ca2+超载、ROS 生成过多的神经元损伤性疾病[21]。最近报道显示，在PD 发病早期，抑制MCU 或MCU 复合物的功能，MICU1 可以被蛋白连接酶所降解，导致线粒体Ca2+吸收增多和细胞凋亡[22]。因此，MCU 或MCU 复合物在PD 发病过程中发挥关键作用。除了神经退行性疾病外，MCU 及其复合物已被确认在神经肌肉疾病中发挥重要作用，MICU1 的缺失或突变诱发学习困难和进行性运动紊乱，这些症状与线粒体Ca2+超载以及线粒体断裂密切相关[23]。以上研究显示，MCU 及其复合物在神经系统疾病中具有重要作用，适当调节线粒体Ca2+摄取，维持钙稳态，可能是神经性疾病的重大治疗策略。

阿尔茨海默症（Alzheimer′s disease，AD）为临床上出现频率最高的一种神经退行性疾病，β-淀粉样蛋白在AD 患者的脑组织中特异性积累，线粒体功能紊乱是AD 发生的重要特征[24]。β-淀粉样蛋白在脑组织中的积累导致线粒体Ca2+摄取增加，导致细胞因兴奋性中毒死亡[25]。研究显示，用MCU 抑制剂钌红抑制MCU 的作用，可以减缓AD 的发生[26]。MCU及其复合物在AD 中的协同作用机制还需要进一步探究。

3.3 MCU 及复合物与心脏相关疾病 作为MCU复合物的核心通道，MCU 可以介导线粒体Ca2+转运，参与调控ATP 的生成[27]。ATP 生成可以由线粒体Ca2+转运来实现，为心肌提供能量[28]。

通过MCU 通道进入的大量Ca2+可以使线粒体Ca2+超载，在缺血再灌注损伤条件下，导致持续的线粒体Ca2+摄取。这种线粒体Ca2+的持续性升高破坏了生理性的Ca2+出入循环而导致mPTP 激活[29]。mPTP 是一个电压依赖性、高电导率的孔，横跨线粒体外膜（outer mitochondrial membrane，OMM）、IMS、IMM 和基质。触发该孔的两个已知因素是基质Ca2+和ROS 的含量。mPTP 开放导致质子梯度的耗散，抑制ATP 的水解，水和溶质迅速涌入，导致线粒体肿胀，最终导致细胞坏死[29]。mPTP 开放是决定心肌损伤的一个关键因素，也是心肌保护的重要方向。课题组前期研究显示，白藜芦醇、锌离子等均可以通过抑制mPTP 开放发挥心肌保护作用[30-31]。Ca2+超载是诱发mPTP 开放的重要因素之一，Ca2+内流不断增多导致胞质Ca2+大量积累，随着电化学梯度进入到线粒体中，使得线粒体Ca2+超载进而mPTP 开放，抑制MCU的表达有助于减轻Ca2+超载所导致的mPTP 开放[32]。

研究证实，在MCU 基因敲除小鼠中，对小鼠左冠状动脉结扎40 min 再灌注24 h 诱发心肌缺血再灌注损伤（myocardial ischemia/reperfusion injury，MI/RI），心肌肌钙蛋白升高和心肌梗死面积增加，差速离心法分离线粒体并用分光光度计检测mPTP 的开放程度，在Ca2+增加后线粒体未肿胀且吸光度显著降低[33]。上述结果提示，MCU 缺乏可抑制Ca2+进入线粒体基质，阻止mPTP 开放，减弱MI/RI 诱发的心肌细胞的凋亡，发挥有效的心肌保护作用。而改善MI/RI，MCU 的缓慢调节并非可靠的方法，只有迅速抑制MCU 才有可能成为预防MI/RI 诱导细胞凋亡的治疗方案[34]。也有研究认为，心肌再灌注使MICU1表达降低，心肌梗死面积明显增大，心肌细胞凋亡明显增多。其机制可能是通过MICU1 抑制线粒体Ca2+超载来实现的[35]。

在心肌梗死中，心肌细胞缺血可以导致线粒体内Ca2+超载并减少线粒体中MICU1 的表达[36]，因此，MICU1 可能通过抑制Ca2+超载缓解心肌缺血性损伤。研究还显示，MCU 复合物相关蛋白EMRE 的过表达，加剧了心肌缺血性损伤，增加了心肌梗死面积，加快了心肌细胞的凋亡，其可能的发生机制与线粒体ROS 产生密切相关[37]。然而，MICU1 在心肌梗死中的具体机制，MICU1、EMRE 是如何通过MCU 调节心肌缺血性损伤还需要进一步详细研究。

线粒体Ca2+可以影响ATP 的生成和线粒体ROS 的产生，进而引起线粒体功能障碍或心肌相关疾病。因此，维护线粒体能量代谢，控制其Ca2+超载、ROS 产生是预防心肌疾病的重要策略[38]。研究证实，MICU1 表达增加可以显著减轻糖尿病小鼠的心室肥大，抑制线粒体ROS 的生成，说明MICU1 具有改善糖尿病心肌病的心脏功能的作用[39]。MICU1 上调后应用siRNA 干扰MCU 的表达，线粒体Ca2+摄取能力显著降低，同时凋亡蛋白表达明显上升[39]。上述研究表明，MICU1 可以通过MCU 抑制心肌细胞线粒体ROS 的生成，有效减少心肌细胞凋亡。而MCU的调节蛋白EMRE 的表达升高会引起线粒体Ca2+超载加剧ROS 的生成，ROS 线粒体释放至胞浆，激活了下游的某些信号通路，使心肌细胞凋亡，最终导致糖尿病心肌病发生[40]。因此，MCU 及其复合物在心肌疾病中发挥重要作用。

综上所述，MCU 及其复合物通过不同的机制对疾病产生多种影响，本文重点探讨了MCU 和MCU复合物的特点和功能及其在协同介导Ca2+转运、线粒体Ca2+摄入中的重要作用。MCU 及复合物在肿瘤、神经退行性疾病、心肌疾病中具有重要作用，表明调控MCU 及其复合物可能是疾病治疗的新靶点。有鉴于此，需进一步探讨MCU 及其复合物与疾病的发生机制，为新药研发提供新思路。