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線粒體結(jié)構(gòu)
線粒體（mitochondrion）是除了溶組織內(nèi)阿米巴、籃氏賈第鞭毛蟲以及幾種微孢子蟲外，大多數(shù)真核細(xì)胞的“能量工廠”，是一種擁有自身的遺傳物質(zhì)和遺傳體系的半自主細(xì)胞器。不同細(xì)胞中線粒體形態(tài)及數(shù)量都有所不同，這主要取決于細(xì)胞的代謝水平。
線粒體由外至內(nèi)可劃分為線粒體外膜（OMM）、線粒體膜間隙、線粒體內(nèi)膜（IMM）和線粒體基質(zhì)四個(gè)功能區(qū)。其中，線粒體外膜較光滑，主要參與諸如脂肪酸鏈延伸、腎上腺素氧化以及色氨酸生物降解等生化反應(yīng)，同時(shí)初步分解線粒體基質(zhì)中需要徹底氧化的物質(zhì)。線粒體外膜與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜通過某些蛋白質(zhì)相連，形成線粒體結(jié)合內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜，該結(jié)構(gòu)在脂質(zhì)的相互交換和線粒體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)間的鈣離子信號(hào)傳導(dǎo)等過程中都有重要作用。線粒體內(nèi)膜則向內(nèi)皺褶形成線粒體嵴，使得內(nèi)膜表面積大大增加，負(fù)擔(dān)更多的更為復(fù)雜生化反應(yīng)，主要包括以下生理過程：特異性載體運(yùn)輸磷酸、谷氨酸、鳥氨酸、各種離子及核苷酸等代謝產(chǎn)物和中間產(chǎn)物；內(nèi)膜轉(zhuǎn)運(yùn)酶運(yùn)輸?shù)鞍踪|(zhì)；參與氧化磷酸化中的氧化還原反應(yīng)；參與腺苷三磷酸(ATP)的合成；控制線粒體的分裂與融合。線粒體的內(nèi)外膜將線粒體分出兩個(gè)區(qū)室，位于兩層線粒體膜之間的是線粒體膜間隙，被線粒體內(nèi)膜包裹的是線粒體基質(zhì)。
線粒體功能
線粒體主要執(zhí)行與細(xì)胞代謝和均質(zhì)穩(wěn)定有關(guān)的許多功能。通過內(nèi)膜上的氧化磷酸化產(chǎn)生能量是線粒體的標(biāo)志，糖酵解和三羧酸循環(huán)放出的能量多數(shù)儲(chǔ)存在還原輔酶中，還原輔酶需要逐步地把電子傳遞給氧，從而釋放能量。這一系列由電子載體構(gòu)成的，從還原型煙酰胺腺嘌呤二核甘酸（NADH）向氧傳遞電子的系統(tǒng)就叫做電子傳遞鏈（ETC)。輔酶運(yùn)載的氫以質(zhì)子形式脫下，電子則沿呼吸鏈轉(zhuǎn)移到分子氧，形成離子型氧，再與質(zhì)子結(jié)合生成水。放出的能量則使ADP和磷酸生成ATP。ETC和ATP形成的偶聯(lián)機(jī)制稱為氧化磷酸化。線粒體在鈣穩(wěn)態(tài)，caspase依賴性細(xì)胞凋亡啟動(dòng)，細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)，血紅素生物合成，硫代謝和胞質(zhì)蛋白降解中也起著重要的作用。
一個(gè)受精卵內(nèi)約有100，000個(gè)線粒體，伴隨不停的分裂分化，最終人體內(nèi)有萬億的細(xì)胞，每個(gè)細(xì)胞的線粒體都來自那個(gè)受精卵，新的線粒體只能從舊的線粒體生發(fā)，絕對(duì)不可能從頭生成。線粒體平均壽命僅僅為28天，所以線粒體新舊交替就是必然規(guī)律。作為組織內(nèi)穩(wěn)態(tài)必不可少的能量發(fā)生器和程序性凋亡和壞死細(xì)胞死亡的通道，其核心功能使得線粒體的質(zhì)量和數(shù)量需受到嚴(yán)格控制。
疾病中的線粒體質(zhì)量控制體系
1. 線粒體生物發(fā)生
新生的線粒體運(yùn)轉(zhuǎn)幾天后，因?yàn)槠涔δ懿煌潭认陆?，兩個(gè)甚至多個(gè)線粒體發(fā)生融合，共享線粒體DNA、ETC等內(nèi)部零件，維持線粒體正常運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)極大的節(jié)省了資源；又過了幾天，這種相對(duì)龐大的線粒體功能又出現(xiàn)故障，線粒體開始分裂，去掉廢棄線粒體后，還能繼續(xù)用的線粒體繼續(xù)融合，而廢棄線粒體通過自噬途徑分解成氨基酸等重新回收利用。線粒體分裂，融合與自噬都是為了讓線粒體更好的執(zhí)行它的任務(wù)：線粒體生物發(fā)生。
過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子1α（PGC-1α）是核激素受體過氧化物酶體增殖物激活受體γ（PPARγ）的轉(zhuǎn)錄共激活因子，廣泛參與線粒體生物合成等多條代謝途徑。在小鼠體內(nèi)同時(shí)激活過氧化物酶體增殖物激活受體α（PPARα）和PPARγ的研究顯示，由于這兩種轉(zhuǎn)錄因子之間的競(jìng)爭(zhēng)，會(huì)引起PGC-1α活性降低和線粒體數(shù)量減少。
許多研究報(bào)道PGC-1α參與了腫瘤發(fā)育的調(diào)節(jié)，其機(jī)制可能是PGC-1α改變了細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄程序和代謝表型[1]。在ER+乳腺癌中，17-β雌二醇（E2）上調(diào)了線粒體生物發(fā)生和氧化磷酸化相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子p53及PGC1-α的含量，糖酵解途徑相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子缺氧誘導(dǎo)因子-1α（HIF-1α）和c-MYC的含量[2]。肌肉調(diào)節(jié)因子1（PERM1）是由PGC-1/ERR通路誘導(dǎo)的肌肉特異性蛋白。人類黑色素瘤中PGC-1β的低表達(dá)降低了HSPA9的表達(dá)，導(dǎo)致線粒體活性損害及細(xì)胞周期停滯，更為重要的是，PGC-1β的低表達(dá)與免疫抑制轉(zhuǎn)錄物：CD73，PD-L2及Galectin-9和促炎轉(zhuǎn)錄物：IL-8、TNF及IL-1β的表達(dá)增加有關(guān)。以上結(jié)果提示線粒體生物發(fā)生調(diào)節(jié)劑可以通過免疫途徑的轉(zhuǎn)錄控制來調(diào)節(jié)腫瘤進(jìn)展、免疫逃避和對(duì)治療的反應(yīng)。Perm1敲除小鼠RNA測(cè)序和無偏分析表明，Perm1下調(diào)導(dǎo)致心臟脂肪酸和碳水化合物代謝相關(guān)基因的下調(diào)。PERM1與參與脂肪酸氧化的基因內(nèi)源性啟動(dòng)子中PPAR反應(yīng)元件（PPREs）的近端區(qū)域相互作用，以PPARα和PGC-1α依賴的方式促進(jìn)PPRE轉(zhuǎn)錄[3]。SIRT3的表達(dá)受PGC-1α的正調(diào)節(jié)。沉默SIRT3部分逆轉(zhuǎn)了PGC-1α對(duì)糖酵解代謝的負(fù)面影響。探討PGC-1α/SIRT3在乳腺癌細(xì)胞增殖和線粒體能量代謝改變中作用的研究表明：PGC-1α/SIRT3通過改變糖酵解調(diào)節(jié)乳腺癌細(xì)胞增殖和凋亡，這可能為乳腺癌提供新的治療策略[4]。
近年研究還發(fā)現(xiàn)，PGC-1α不僅參與調(diào)節(jié)適應(yīng)性產(chǎn)熱和線粒體生物合成，在誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[5]、炎癥反應(yīng)、脂代謝、糖代謝及腫瘤代謝[5]中同樣發(fā)揮著不可忽視的作用。
2. 線粒體動(dòng)力學(xué)
線粒體動(dòng)力學(xué)是指線粒體處在融合(fusion)與裂解(fission)的動(dòng)態(tài)平衡中，線粒體的這種動(dòng)態(tài)變化，可表現(xiàn)為形態(tài)上的異質(zhì)性，在胞質(zhì)中可呈點(diǎn)狀、碎片狀、條狀或線狀等不同形態(tài)。細(xì)胞環(huán)境的變化，尤其是病理狀態(tài)下細(xì)胞環(huán)境的改變，可以觸發(fā)線粒體融合或裂解相關(guān)蛋白功能或活性的改變，而融合與裂解相關(guān)蛋白的改變直接影響線粒體融合和裂解的過程，即線粒體動(dòng)力學(xué)的變化。線粒體裂解主要由動(dòng)力相關(guān)蛋白1（DRP1）、線粒體分裂蛋白1（Fis1）和線粒體分裂因子（MFF）介導(dǎo)，而融合過程分為OMM的融合與IMM的融合，分別由線粒體融合蛋白（MFN）和視神經(jīng)萎縮蛋白1（OPA1）介導(dǎo)。Mfn1/Mfn2基因敲除小鼠心肌內(nèi)線粒體功能缺陷并大量累計(jì)[6]。上調(diào)MFN2可以促進(jìn)成纖維細(xì)胞中線粒體的融合，抑制線粒體裂解，緩解線粒體自噬過度[7]。在血管緊張素Ⅱ誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞損傷模型中MFN2也表現(xiàn)出促進(jìn)線粒體融合作用[8]。衰老心肌細(xì)胞內(nèi)OAPA1的過乙?；瘯?huì)導(dǎo)致線粒體嵴的異常排列，細(xì)胞色素c向胞質(zhì)轉(zhuǎn)，最終導(dǎo)致心力衰竭[9]。DRP1缺乏可導(dǎo)致心肌細(xì)胞的肥大及壞死，Drp1基因敲除小鼠心肌中線粒體體積增大，氧化應(yīng)激水平增加，導(dǎo)致擴(kuò)張型心肌病[10]。Mff基因突變小鼠表現(xiàn)出心肌肥大及心力衰竭，而Mff基因的過表達(dá)會(huì)造成線粒體功能和結(jié)構(gòu)紊亂，引發(fā)線粒體凋亡[11]。
在不同腫瘤患者中也發(fā)現(xiàn)了線粒體動(dòng)力學(xué)的不平衡，具有裂解過程的增強(qiáng)和/或融合過程的減弱，導(dǎo)致線粒體形態(tài)上的碎片化。在肝癌、乳腺癌、肺癌等多種腫瘤中均發(fā)現(xiàn)了裂解相關(guān)蛋白表達(dá)升高，而融合相關(guān)蛋白表達(dá)降低，提示在腫瘤中線粒體動(dòng)力學(xué)狀態(tài)的改變[12]。 而且線粒體動(dòng)力學(xué)相關(guān)蛋白與患者的預(yù)后及生存時(shí)間相關(guān)。
線粒體動(dòng)力學(xué)與線粒體的功能有密切聯(lián)系，如細(xì)胞增殖、細(xì)胞代謝、細(xì)胞遷移等，并受多種化學(xué)酶及蛋白質(zhì)的調(diào)控。病毒感染會(huì)誘導(dǎo)線粒體網(wǎng)絡(luò)的顯著延長(zhǎng),從而影響免疫信號(hào)。MFN1過表達(dá)或FIS和DRP1缺失介導(dǎo)的線粒體延長(zhǎng)可以增強(qiáng)抗病毒信號(hào)，而MFN1或OPA1的沉默能夠減少NF-κB和IRF3的激活。MFN1缺失時(shí)，RIG-I信號(hào)通路受損，而MFN1和MFN2缺失會(huì)導(dǎo)致感染病毒MEFs中IFN-β和IL-6的生成缺失。此外，線粒體動(dòng)力學(xué)狀態(tài)的改變可影響腫瘤的發(fā)生、發(fā)展及轉(zhuǎn)移，作為”能量工廠”的線粒體對(duì)免疫背景下的細(xì)胞遷移極為重要，在侵襲性乳腺癌和惡性嗜酸細(xì)胞甲狀腺腫瘤中能夠觀察到DRP1水平升高。對(duì)上皮細(xì)胞和乳腺癌細(xì)胞的研究表明，與淋巴細(xì)胞的情況類似，通過過表達(dá)Opa1或沉默Drp1增加線粒體延長(zhǎng)可抑制其運(yùn)動(dòng)性和遷移。
近期研究還發(fā)現(xiàn)，棕色脂肪組織（BAT）中的Opa1敲除通過誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子21（FGF21）的表達(dá)和分泌來刺激白色脂肪組織（WAT）棕色化[13]。在人體中，WAT儲(chǔ)存能量，而BAT通過UCP1（解偶聯(lián)蛋白1）介導(dǎo)的產(chǎn)熱作用將能量轉(zhuǎn)換成熱量。脂肪組織功能障礙與代謝性疾病有關(guān)，如2型糖尿?。═2DM）、心血管疾病和某些癌癥等。由于人體的BAT很少，白色脂肪的“棕色化”則是一種很有前途的對(duì)抗肥胖和代謝紊亂的策略。近期Bean C等的研究表明線粒體嵴形狀和融合蛋白OPA1通過影響尿素循環(huán)和Jumanji家族組蛋白去甲基化酶Kdm3a使WAT發(fā)生自主棕色化[14]。
3. 線粒體自噬
在營(yíng)養(yǎng)消耗過程中，自噬會(huì)發(fā)生以降解不必要的或功能失調(diào)的細(xì)胞組件，產(chǎn)生氨基酸，并調(diào)動(dòng)脂質(zhì)儲(chǔ)備。線粒體的延長(zhǎng)和嵴的重塑在這一過程中起著重要作用。目前，介導(dǎo)線粒體自噬的經(jīng)典通路包括：1．PINK1-Parkin通路。在壓力條件下，PINK1穩(wěn)定在OMM上，促進(jìn)了Parkin的招募。Parkin泛素化幾種外膜成分。多聚泛素鏈隨后被PINK1磷酸化，作為自噬機(jī)制的“吃我”信號(hào)。適配器蛋白(p62，OPTN，NDP52)識(shí)別線粒體蛋白上的磷酸化的多聚泛素鏈，并通過與LC3結(jié)合，啟動(dòng)自噬體形成。TBK1磷酸化OPTN，從而增強(qiáng)其與泛素鏈的結(jié)合親和力。OPTN-TBK1復(fù)合物建立了促進(jìn)線粒體清除的前饋機(jī)制。Gp78，SMURF1，MUL1，SIAH1和ARIH1代表了E3泛素連接酶靶向OMM蛋白在成核吞噬之前。PINK1-Parkin通路通過靶向MFN和Miro進(jìn)行蛋白酶體降解來調(diào)節(jié)線粒體動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)。2.受體介導(dǎo)。BNIP3、NIX和FUNDC1核分裂吞噬受體定位于OMM，與LC3直接相互作用，介導(dǎo)線粒體清除。在線粒體損傷后，PHB2和cardiolipin外化到OMM并與LC3相互作用。不同的受體保證了不同組織和不同刺激的特異性。NIX和BNIP3磷酸化增強(qiáng)了它們與LC3的聯(lián)系。CK2、Sc激酶和PGAM5磷酸酶均影響FUNDC1磷酸化狀態(tài)，調(diào)節(jié)缺氧時(shí)線粒體動(dòng)力學(xué)。
新的證據(jù)表明，轉(zhuǎn)錄因子MondoA是細(xì)胞衰老、自噬和線粒體穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)因子。MondoA通過激活自噬，部分通過抑制自噬負(fù)調(diào)節(jié)因子Rubicon來保護(hù)細(xì)胞衰老。此外，過氧化物酶體蛋白3（Prdx3）是MondoA的另一個(gè)獨(dú)立于Rubicon的下游調(diào)節(jié)因子，對(duì)線粒體穩(wěn)態(tài)和自噬至關(guān)重要。MondoA敲除小鼠在缺血性急性腎損傷（AKI）期間加劇了衰老，并且細(xì)胞核中MondoA的減少與人類衰老和缺血性AKI相關(guān)。以上結(jié)果表明，MondoA的下降會(huì)惡化衰老和與年齡相關(guān)的疾病[15]。
在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中，線粒體自噬通過抑制功能失調(diào)的線粒體積累、細(xì)胞氧化應(yīng)激、基因組不穩(wěn)定和炎癥來防止肝細(xì)胞腫瘤的發(fā)生[16]。在癌癥小鼠模型中，敲除自噬必需基因產(chǎn)生自噬缺陷，導(dǎo)致缺陷線粒體和其他自噬底物的積累，損害線粒體呼吸、細(xì)胞生長(zhǎng)和生存，同時(shí)增加細(xì)胞死亡和衰老。對(duì)已確診為RAS驅(qū)動(dòng)型肺癌的小鼠進(jìn)行系統(tǒng)性的急性自噬消融，在對(duì)大多數(shù)正常組織產(chǎn)生顯著損傷之前，會(huì)產(chǎn)生大量的腫瘤消退，這表明一些腫瘤特別依賴自噬。重要的是，與自噬完整產(chǎn)生的癌相比，自噬缺失腫瘤類似于良性的嗜酸細(xì)胞瘤，這是一種以缺陷線粒體積累為特征的腫瘤。因此，自噬是腫瘤從良性向惡性發(fā)展的必要條件。
線粒體參與的疾病
線粒體功能失調(diào)對(duì)人類的健康影響大且廣，線粒體功能障礙主要表現(xiàn)在線粒體形態(tài)結(jié)構(gòu)的改變、ATP合成減少、活性氧物種的過度產(chǎn)生、動(dòng)力學(xué)失衡和mtDNA損傷。其功能失調(diào)與人體各個(gè)系統(tǒng)的疾病如神經(jīng)系統(tǒng)疾病、心血管系統(tǒng)疾病、肝臟疾病、腎臟疾病、糖尿病以及DNA損傷反應(yīng)相關(guān)癌癥的發(fā)生與發(fā)展聯(lián)系緊密。癌細(xì)胞雖然不需要線粒體提供的能量就能存活，但癌細(xì)胞沒有線粒體就不能生成新的DNA鏈，增殖形成腫瘤，因此，線粒體在腫瘤形成過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。這就意味著，剝奪癌細(xì)胞的線粒體可以抑制腫瘤形成，為癌癥治療提供了新的思路及見解。
1. Sun, X., et al., Targeting PGC1α to wrestle cancer: a compelling therapeutic opportunity. Journal of cancer research and clinical oncology, 2022. 148(4): p. 767-774.
2. Pacheco-Velázquez, S., et al., 17-β Estradiol up-regulates energy metabolic pathways, cellular proliferation and tumor invasiveness in ER+ breast cancer spheroids. Frontiers in oncology, 2022. 12: p. 1018137.
3. Huang, C., et al., PERM1 regulates genes involved in fatty acid metabolism in the heart by interacting with PPARα and PGC-1α. Scientific reports, 2022. 12(1): p. 14576.
4. Zu, Y., et al., PGC-1α activates SIRT3 to modulate cell proliferation and glycolytic metabolism in breast cancer. Neoplasma, 2021. 68(2): p. 352-361.
5. Cao, et al., The Role of PGC1 alpha in Cancer Metabolism and its Therapeutic Implications. Molecular cancer therapeutics, 2016. 15(5): p. 774-782.
6. Song, M., et al., Mitochondrial fission and fusion factors reciprocally orchestrate mitophagic culling in mouse hearts and cultured fibroblasts. Cell metabolism, 2015. 21(2): p. 273-286.
7. Mitochondrial fusion mediated by fusion promotion and fission inhibition directs adult mouse heart function toward a different direction. The FASEB Journal, 2020. 34(1).
8. Mitofusin 2 Participates in Mitophagy and Mitochondrial Fusion Against Angiotensin II-Induced Cardiomyocyte Injury. Frontiers in physiology, 2019.
9. Guo, Y., et al., Klotho protects the heart from hyperglycemia-induced injury by inactivating ROS and NF-κB-mediated inflammation both in vitro and in vivo. Biochim Biophys Acta, 2017: p. S0925443917303551.
10. Jin, J.Y., et al., Drp1-dependent mitochondrial fission in cardiovascular disease. 中國(guó)藥理學(xué)報(bào):英文版, 2021.
11. Hao, Z., et al., NR4A1 aggravates the cardiac microvascular ischemia reperfusion injury through suppressing FUNDC1-mediated mitophagy and promoting Mff-required mitochondrial fission by CK2α. Basic Research in Cardiology, 2018. 113(4): p. 23.
12. Huang, Q., et al., Mitochondrial fission forms a positive feedback loop with cytosolic calcium signaling pathway to promote autophagy in hepatocellular carcinoma cells. Cancer letters, 2017. 403: p. 108-118.
13. Pereira, R., et al., OPA1 deletion in brown adipose tissue improves thermoregulation and systemic metabolism via FGF21. eLife, 2021. 10.
14. Bean, C., et al., Author Correction: The mitochondrial protein Opa1 promotes adipocyte browning that is dependent on urea cycle metabolites. Nature metabolism, 2022. 4(2): p. 300.
15. Yamamoto-Imoto, H., et al., Age-associated decline of MondoA drives cellular senescence through impaired autophagy and mitochondrial homeostasis. Cell reports, 2022. 38(9): p. 110444.
16. Wang, Y., et al., Identification of HCC Subtypes With Different Prognosis and Metabolic Patterns Based on Mitophagy. Frontiers in cell and developmental biology, 2021. 9: p. 799507.
