综述线粒体融合分裂与细胞凋亡.docVIP

博士生资格考试综述（2005年10月24日） 线粒体融合分裂与细胞凋亡 吕冰峰北京大学基础医学院免疫学系分子免疫实验室 摘要：线粒体是高度动态的细胞器，它们在细胞内彼此连接呈三位网络状。同时，线粒体在细胞内发生着频繁的融合与分裂，融合与分裂的相对速度决定了线粒体的形态与数目。现在已知的介导线粒体融合的分子主要有Mfn1/2，OPA1和Ugo1；介导线粒体分裂的分子主要有Drp1，Fis1和Mdv1。线粒体的融合分裂与细胞凋亡密切相关，凋亡早期线粒体网络往往发生明显的片断化；线粒体形态的调控分子参与了细胞凋亡，调控凋亡的分子也会明显改变线粒体的形态。 关键词：线粒体，融合，分裂，凋亡 一、线粒体概述 ATP是一切生物进行生命活动的动力，而线粒体是所有真核生物进行能量代谢，产生ATP的重要场所。糖分子在线粒体内通过充分的氧化代谢，所产生的ATP是糖酵解的15倍（1）。正是由于线粒体的这种极高效率的生产能力，生命体才能够在各种激烈的生命活动、复杂的外部环境中向前发展。能量代谢过程中产生的多种自由基分子也参与细胞内的信号传导。 线粒体还是细胞程序性死亡的重要参与者。细胞的各种死亡信号几乎都要传递到线粒体，导致膜通透性增加，储存在膜间隙的多种分子释放到胞浆，包括细胞色素C，AIF，Smac/Diablo，Endonuclease G等，这些分子通过活化caspase或者直接作用于染色体DNA，致使细胞死亡。 结构是功能的基础，对线粒体结构的正确认识将有利于对其功能的深入研究。电子显微镜下，线粒体呈长椭圆形，具有一层高度折叠的内膜并向内突出成嵴和一层相对简单的外膜，双层膜之间为膜间隙，内膜包绕为基质。然而，这种基于二维图像得到的传统形态忽视了线粒体在细胞内立体空间的形态特征，伴随着三维成像技术的发展与应用，越来越多的学者认为线粒体在细胞内彼此连接，呈现立体的管网状结构，并且发生频繁的融合与分裂（2，3）。 本文将针对线粒体的空间结构，线粒体的融合与分裂及其与细胞凋亡的关系做以综述。 二、线粒体在细胞内的动态平衡线粒体是动态的细胞器，在细胞的不同生命过程中以及外界环境刺激下，它的数量和形态都是可变的。线粒体可以有椭圆形、长管状、网络状，不同形状的线粒体由于频繁的融合与分裂，此消彼长，保持在一个动态的平衡之中（4，5）。线粒体融合与分裂过程中必须保证膜结构的完整性，以防止膜间隙分子漏出，导致细胞凋亡。 （一）线粒体的空间形态1998年，Rizzuto利用计算机辅助高速成像系统合成三维图象后发现在HeLa细胞内，线粒体自身相互连接，形成了巨大的、动态的管网状结构，并且进行持续的重排组合，显示出非常强的结构可塑性（2）。实验中mito-GFP被用来指示线粒体的形态，如果把线粒体网络的某一个局部进行荧光漂白后，该处的荧光很快就恢复了。由此作者认为，细胞内的线粒体形成了连通的网络，mito-GFP在其中自由扩散，所以漂白部位的荧光得以快速恢复。用膜电位敏感的荧光探针标记线粒体后，如果对线粒体的某一局部加以去极化刺激，同样会导致网络远处线粒体膜电位的下降，这也说明细胞内线粒体的高度连通性（6，7）。 细胞融合实验也证明线粒体是动态的（8，9）。待融合的两组细胞，一组用绿色荧光标记线粒体，另一组用红色荧光标记，两组细胞混合后用PEG诱导细胞融合，融合细胞内具有红绿不同标记的线粒体一段时间以后，红绿色荧光消失，所有的线粒体都表现为黄色的荧光，由此证明线粒体是高度动态的，线粒体基质成分发生了充分的混合，实验中这个过程大约需要8-12小时。 线粒体形态还随细胞周期而变，G1期细胞线粒体网络状，而S期则呈现片断化的结构（10，11）。不同的培养条件下，线粒体的形态也不完全相同（4）。 在酵母中，通过mito-GFP定位线粒体同样显示出分支网络状的（12，13） 细胞内线粒体的网络化程度取决于线粒体融合与分裂的相对速度，通常情况下融合与分裂速度相当，线粒体的数目与形态保持稳定。如果线粒体融合过程受到抑制，就会发生线粒体片断化；而如果线粒体分裂过程受到抑制，线粒体的网络化程度就会加强（14，15）。线粒体的融合与分裂活性必须保持活跃才可以稳定线粒体的形态。当然不难想象，如果线粒体融合通路发生障碍，也可以通过相应地抑制分裂通路来在一定程度上稳定线粒体形态，反之亦然。比如超表达Drp1K38A可以使Mfn1或Mfn2基因敲除小鼠片断化的线粒体恢复为长管状（8）。既然同时下调线粒体融合与分裂的活性，线粒体的形态也能够维持稳定，为什么细胞还要进化并保持这种活跃的线粒体融合与分裂活性呢？其答案一定是高度动态的线粒体相比静态的更具优势。 线粒体融合能够促进线粒体的协作。线粒体连接成网络有利于能量在其中的传递（7）；有利于膜电位快速传递以及线粒体内容物的交换。融合还可以使线粒体之