国自然热点追踪——线粒体动力学联合细胞代谢，衰老，凋亡设计思路

2024-05-25 12:05

线粒体动力学是一个复杂且引人入胜的领域，它涉及线粒体在细胞内的行为、交互和变化。线粒体动力学的研究对于理解细胞功能、疾病发生以及治疗策略都具有重要意义。

线粒体动力学主要关注线粒体的形态变化、分布和与其他细胞器的相互作用。线粒体在细胞内并非静止不动，而是不断地进行融合和分裂，这种过程被称为线粒体动力学。融合有助于混合线粒体内容物，保持线粒体功能的完整性；而分裂则使得线粒体能够更好地适应细胞内的能量需求变化，并在细胞损伤时通过自噬途径清除受损的线粒体。

线粒体动力学的调控机制十分复杂，涉及多种蛋白和信号通路。其中，一些关键蛋白如Drp1、Mfn1/2和Opa1等在线粒体融合和分裂过程中发挥着重要作用。这些蛋白的表达和活性受到多种因素的调控，如基因转录、翻译后修饰以及与其他蛋白的相互作用等。此外，一些信号通路如钙离子信号、ROS信号以及凋亡信号等也能够影响线粒体动力学的变化。

线粒体作为重要的信号细胞器，调节细胞中的一系列功能，包括细胞代谢、能量产生和离子稳态、衰老和凋亡，这些功能决定了细胞的命运。许多机制有助于将线粒体适应性传递给细胞。新兴研究表明，线粒体动力学是多种细胞功能的重要贡献者。

细胞代谢

当细胞在营养丰富的环境中生长时，它们通常表现出破碎的线粒体，OXPHOS受损，mtDNA减少，ROS产生增加。另一方面，营养缺乏的细胞中的线粒体往往会保持更长时间的连接，从而维持高效的 OXPHOS 和 ATP 水平升高。

在低营养补充下，几种代谢传感器激酶可以驱动线粒体伸长。PKA 是调节 Ser637 磷酸化的激酶之一，以 cAMP 依赖性方式起作用，间接响应 cAMP/ATP 的高低变化。以类似的方式，AMPK的激活或哺乳动物雷帕霉素靶标（mTOR）的抑制被证明在培养细胞的营养消耗过程中诱导线粒体融合。因此生物能量适应，包括生物能量效率和ATP合成能力的变化，与线粒体结构的重塑有关。

线粒体动力学还具有调节免疫细胞细胞代谢的能力，从而影响这些细胞的活化状态和功能。例如，当巨噬细胞极化到称为 M1 的促炎状态时，它们将仅使用糖酵解，而处于 M2 状态的巨噬细胞在愈合伤口和修复组织中起着关键作用，依赖于增加的 OXPHOS。用抗Drp1激动剂Mdivi-1抑制LPS激活的巨噬细胞中的线粒体裂变，可有效减少糖酵解重编程。

形态学分析还表明，线粒体表现出不同的形状，以帮助T细胞的分化。一旦 Drp1 在 Ser616 位点被磷酸化，效应 T 细胞就会表现出更高的线粒体裂变频率。结果，这些细胞的线粒体较小并分散在整个细胞质中，促进合成代谢。与效应T细胞不同，记忆T细胞依靠分解代谢来延长存活时间，这显示出融合线粒体的存在增加。记忆 T 细胞和效应 T 细胞之间线粒体形态的差异描述了它们不同的代谢需求。当通过选择性地从 T 细胞中去除 Opa1 来抑制线粒体融合时，它会导致 OXPHOS 降低和嵴结构的改变。总之，线粒体内碎裂和合并机制的稳定性决定了细胞代谢，对细胞功能至关重要。

细胞运动

细胞运动是生理功能的几个不同方面的基础，包括组织生长、伤口愈合、免疫防御，以及疾病相关过程（包括恶性转移）。线粒体向迁移细胞的顶端部分高度极化，在那里它们为肌动蛋白细胞骨架重塑提供能量。此外，前沿的线粒体裂变和融合事件对于局部钙信号传导至关重要，这是定向迁移所必需的此外，线粒体动力学中发生的变化也可能对各种类型的细胞运动产生影响，包括上皮-间充质转化（EMT），转移以及免疫细胞的运输。

当上皮细胞发生EMT时，它们会失去细胞间连接和极化，从而获得间充质的表型。因此，癌细胞能够更容易地侵入和转移。在肝细胞中，PGC-1α 低表达引起的线粒体裂变增加促进了 EMT。同样，GCN5L1 的缺失通过增强 FAO、激活 ERK 和 Drp1 促进 ROS 的产生，然后启动线粒体破裂，最终导致肝细胞癌（HCC） EMT 和转移。与非转移性乳腺癌细胞相比，已发现转移性乳腺癌细胞表现出更高浓度的碎裂线粒体，同时 Drp1 水平升高，MFN1 分子更少。MFN1 的过表达或 Drp1 的沉默导致线粒体伸长或聚集，进而显着减少乳腺癌细胞的转移。

衰老

衰老是细胞应激因素的结果，如氧化应激、端粒缩短和 DNA 损伤，导致永久性生长停滞。衰老细胞的特征是许多变化，包括细胞形态和功能的改变。衰老细胞的一个重要特征是大而细长的线粒体的发育。对观察到的现象的可能解释可能与关键线粒体片段化和合并调节因子的基因表达模式的变化有关。根据最近的研究，人类衰老的内皮细胞表现出长而相互连接的线粒体，以响应 Fis1 和 Drp1 的表达降低。去铁胺（DFO）是一种铁螯合剂，可诱导培养细胞的衰老表型，使其成为分析细胞衰老过程中线粒体延长现象的有效工具。由于DFO诱导的Chang细胞衰老，形成了细长的巨型线粒体。在DFO诱导的衰老过程中，形成巨型线粒体的过程与融合过程的增加和Fis1表达的减少有关。相反，Fis1 的过表达可以逆转 DFO 诱导的线粒体延长和衰老表型。

衰老介质，如p53，通过在诱导细胞衰老之前促进高度互连和细长的线粒体形成来影响线粒体动力学。根据所涉及的机制，p53 的表达之后在 Ser637 位点积累抑制性 Drp1 磷酸化，进而抑制 Drp1 向线粒体的易位。此外，IMM 丝氨酸/苏氨酸磷酸酶，磷酸甘油酸变位酶家族成员 5 （PGAM5），是线粒体裂变的关键成分，因为它使 Ser637 位点 Drp1 去磷酸化，这对线粒体裂变至关重要。PGAM5 缺失导致更多的线粒体融合，线粒体周转减少，ATP 和 ROS 产生增加，mTOR 和干扰素调节因子/IFN 信号传导增强，最终导致细胞衰老。

细胞凋亡

细胞凋亡是一种程序性细胞死亡机制，对哺乳动物发育至关重要，也是细胞稳态和防御感染的基本过程。细胞凋亡主要通过两组蛋白质控制：Bcl-2 家族，含有促凋亡（例如 Bak 和 Bax）或抗凋亡（例如 BCL-2）成员的元件，最初触发该过程;以及半胱天冬酶家族，其成员负责执行阶段。Bcl-2 蛋白家族在调节促凋亡分子从 IMS 释放到细胞质和维持 OMM 的完整性方面起着至关重要的作用。虽然确切的机制尚不完全清楚，但Bcl-2家族的抗凋亡因子在稳定OMM的屏障能力方面具有突出的作用。而促凋亡蛋白（如 Bak 或 Bax）通常会抵消这一功能并诱导 OMM 的通透性。

线粒体通过分泌促凋亡分子、激活半胱天冬酶和诱导染色体凝聚和片段化，在凋亡期的启动过程中起着至关重要的作用。外源性和内源性途径均可触发细胞凋亡。外在通路不涉及与线粒体的直接相互作用，而内在通路的启动需要从线粒体的 IMS 中释放 Cyt C，以及嵴破坏和线粒体外膜通透（MOMP）。凋亡蛋白酶因子 1 （Apaf-1）被该过程激活，这是内在途径中的重要步骤，导致 procaspase-9 的激活。

细胞凋亡过程导致线粒体网络戏剧性地重组为点状球体，而不是长而相互连接的小管。鉴于凋亡细胞表现出高裂变/融合比，人们认为裂变是凋亡过程的重要组成部分。Drp1 似乎有助于这种破裂表型，因为以前的研究已经证实 Drp1 的消耗会阻止细胞凋亡过程中线粒体的分裂，显性阴性 Drp1 （Drp1K38A）过表达也抑制细胞凋亡过程中线粒体的碎片化。在细胞凋亡的早期阶段，能够产生孔隙的促凋亡分子（如 Bax 和 Bak）被转移到特定的线粒体病灶。然后发现这些病灶与 MFN2 和 Drp1 共定位，最终导致线粒体裂变位点的形成。据信，这些病灶在阻止线粒体合并方面发挥作用，导致线粒体在细胞凋亡过程中碎裂。

然而，根据另一项研究，线粒体分裂对哺乳动物细胞中的MOMP和细胞凋亡并不重要。裂变蛋白的过表达可以诱导细胞凋亡，Bcl-2家族抗凋亡可以最大限度地减少细胞凋亡，而与线粒体形态从管状到点状的转变无关。这表明线粒体碎片化和细胞凋亡可能并不总是直接相关。研究人员使用光漂白荧光回收来评估线粒体碎片化，当Bak或Bax过度表达时，线粒体被断开。虽然 Mcl-1 或 Bcl-xL 抑制了这些细胞中细胞凋亡生物标志物（如 Smac/DIABLO 和 Cyt C）的出现，但线粒体的碎片化仍在继续，这表明线粒体裂变和 MOMP 是独立的事件。

Opa1依赖性嵴重塑，其特征是嵴颈变宽，是与细胞凋亡相关的线粒体形态变化的另一个特征，促进Cyt C释放。敲除 Opa1 会诱导线粒体分裂和嵴结构受损，并增加细胞凋亡的脆弱性。此外，引入抗解组装剂的 Opa1 Q297V 突变体可抑制 Cyt C 的释放和细胞凋亡的发生，而对 Bax 激活没有影响。尽管线粒体裂变在细胞凋亡过程中半胱天冬酶激活中的作用仍然存在争议，但大量文献表明线粒体动力学（包括分裂和合并）作为细胞死亡的核心机制具有重要意义。

总体而言，线粒体动力学在维持最佳线粒体功能方面起着至关重要的作用，这对于能量产生和其他重要的细胞过程至关重要。

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来源: qq

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