掃碼聯系客服
線粒體結構
線粒體（mitochondrion）是除了溶組織內阿米巴、籃氏賈第鞭毛蟲以及幾種微孢子蟲外，大多數真核細胞的“能量工廠”，是一種擁有自身的遺傳物質和遺傳體系的半自主細胞器。不同細胞中線粒體形態及數量都有所不同，這主要取決于細胞的代謝水平。
線粒體由外至內可劃分為線粒體外膜（OMM）、線粒體膜間隙、線粒體內膜（IMM）和線粒體基質四個功能區。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，同時初步分解線粒體基質中需要徹底氧化的物質。線粒體外膜與內質網膜通過某些蛋白質相連，形成線粒體結合內質網膜，該結構在脂質的相互交換和線粒體與內質網間的鈣離子信號傳導等過程中都有重要作用。線粒體內膜則向內皺褶形成線粒體嵴，使得內膜表面積大大增加，負擔更多的更為復雜生化反應，主要包括以下生理過程：特異性載體運輸磷酸、谷氨酸、鳥氨酸、各種離子及核苷酸等代謝產物和中間產物；內膜轉運酶運輸蛋白質；參與氧化磷酸化中的氧化還原反應；參與腺苷三磷酸(ATP)的合成；控制線粒體的分裂與融合。線粒體的內外膜將線粒體分出兩個區室，位于兩層線粒體膜之間的是線粒體膜間隙，被線粒體內膜包裹的是線粒體基質。
線粒體功能
線粒體主要執行與細胞代謝和均質穩定有關的許多功能。通過內膜上的氧化磷酸化產生能量是線粒體的標志，糖酵解和三羧酸循環放出的能量多數儲存在還原輔酶中，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就叫做電子傳遞鏈（ETC)。輔酶運載的氫以質子形式脫下，電子則沿呼吸鏈轉移到分子氧，形成離子型氧，再與質子結合生成水。放出的能量則使ADP和磷酸生成ATP。ETC和ATP形成的偶聯機制稱為氧化磷酸化。線粒體在鈣穩態，caspase依賴性細胞凋亡啟動，細胞應激反應，血紅素生物合成，硫代謝和胞質蛋白降解中也起著重要的作用。
一個受精卵內約有100，000個線粒體，伴隨不停的分裂分化，最終人體內有萬億的細胞，每個細胞的線粒體都來自那個受精卵，新的線粒體只能從舊的線粒體生發，絕對不可能從頭生成。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律。作為組織內穩態必不可少的能量發生器和程序性凋亡和壞死細胞死亡的通道，其核心功能使得線粒體的質量和數量需受到嚴格控制。
疾病中的線粒體質量控制體系
1. 線粒體生物發生
新生的線粒體運轉幾天后，因為其功能不同程度下降，兩個甚至多個線粒體發生融合，共享線粒體DNA、ETC等內部零件，維持線粒體正常運轉的同時極大的節省了資源；又過了幾天，這種相對龐大的線粒體功能又出現故障，線粒體開始分裂，去掉廢棄線粒體后，還能繼續用的線粒體繼續融合，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行它的任務：線粒體生物發生。
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。在小鼠體內同時激活過氧化物酶體增殖物激活受體α（PPARα）和PPARγ的研究顯示，由于這兩種轉錄因子之間的競爭，會引起PGC-1α活性降低和線粒體數量減少。
許多研究報道PGC-1α參與了腫瘤發育的調節，其機制可能是PGC-1α改變了細胞的轉錄程序和代謝表型[1]。在ER+乳腺癌中，17-β雌二醇（E2）上調了線粒體生物發生和氧化磷酸化相關轉錄因子p53及PGC1-α的含量，糖酵解途徑相關轉錄因子缺氧誘導因子-1α（HIF-1α）和c-MYC的含量[2]。肌肉調節因子1（PERM1）是由PGC-1/ERR通路誘導的肌肉特異性蛋白。人類黑色素瘤中PGC-1β的低表達降低了HSPA9的表達，導致線粒體活性損害及細胞周期停滯，更為重要的是，PGC-1β的低表達與免疫抑制轉錄物：CD73，PD-L2及Galectin-9和促炎轉錄物：IL-8、TNF及IL-1β的表達增加有關。以上結果提示線粒體生物發生調節劑可以通過免疫途徑的轉錄控制來調節腫瘤進展、免疫逃避和對治療的反應。Perm1敲除小鼠RNA測序和無偏分析表明，Perm1下調導致心臟脂肪酸和碳水化合物代謝相關基因的下調。PERM1與參與脂肪酸氧化的基因內源性啟動子中PPAR反應元件（PPREs）的近端區域相互作用，以PPARα和PGC-1α依賴的方式促進PPRE轉錄[3]。SIRT3的表達受PGC-1α的正調節。沉默SIRT3部分逆轉了PGC-1α對糖酵解代謝的負面影響。探討PGC-1α/SIRT3在乳腺癌細胞增殖和線粒體能量代謝改變中作用的研究表明：PGC-1α/SIRT3通過改變糖酵解調節乳腺癌細胞增殖和凋亡，這可能為乳腺癌提供新的治療策略[4]。
近年研究還發現，PGC-1α不僅參與調節適應性產熱和線粒體生物合成，在誘導細胞凋亡[5]、炎癥反應、脂代謝、糖代謝及腫瘤代謝[5]中同樣發揮著不可忽視的作用。
2. 線粒體動力學
線粒體動力學是指線粒體處在融合(fusion)與裂解(fission)的動態平衡中，線粒體的這種動態變化，可表現為形態上的異質性，在胞質中可呈點狀、碎片狀、條狀或線狀等不同形態。細胞環境的變化，尤其是病理狀態下細胞環境的改變，可以觸發線粒體融合或裂解相關蛋白功能或活性的改變，而融合與裂解相關蛋白的改變直接影響線粒體融合和裂解的過程，即線粒體動力學的變化。線粒體裂解主要由動力相關蛋白1（DRP1）、線粒體分裂蛋白1（Fis1）和線粒體分裂因子（MFF）介導，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）和視神經萎縮蛋白1（OPA1）介導。Mfn1/Mfn2基因敲除小鼠心肌內線粒體功能缺陷并大量累計[6]。上調MFN2可以促進成纖維細胞中線粒體的融合，抑制線粒體裂解，緩解線粒體自噬過度[7]。在血管緊張素Ⅱ誘導的心肌細胞損傷模型中MFN2也表現出促進線粒體融合作用[8]。衰老心肌細胞內OAPA1的過乙?；瘯е戮€粒體嵴的異常排列，細胞色素c向胞質轉，最終導致心力衰竭[9]。DRP1缺乏可導致心肌細胞的肥大及壞死，Drp1基因敲除小鼠心肌中線粒體體積增大，氧化應激水平增加，導致擴張型心肌病[10]。Mff基因突變小鼠表現出心肌肥大及心力衰竭，而Mff基因的過表達會造成線粒體功能和結構紊亂，引發線粒體凋亡[11]。
在不同腫瘤患者中也發現了線粒體動力學的不平衡，具有裂解過程的增強和/或融合過程的減弱，導致線粒體形態上的碎片化。在肝癌、乳腺癌、肺癌等多種腫瘤中均發現了裂解相關蛋白表達升高，而融合相關蛋白表達降低，提示在腫瘤中線粒體動力學狀態的改變[12]。 而且線粒體動力學相關蛋白與患者的預后及生存時間相關。
線粒體動力學與線粒體的功能有密切聯系，如細胞增殖、細胞代謝、細胞遷移等，并受多種化學酶及蛋白質的調控。病毒感染會誘導線粒體網絡的顯著延長,從而影響免疫信號。MFN1過表達或FIS和DRP1缺失介導的線粒體延長可以增強抗病毒信號，而MFN1或OPA1的沉默能夠減少NF-κB和IRF3的激活。MFN1缺失時，RIG-I信號通路受損，而MFN1和MFN2缺失會導致感染病毒MEFs中IFN-β和IL-6的生成缺失。此外，線粒體動力學狀態的改變可影響腫瘤的發生、發展及轉移，作為”能量工廠”的線粒體對免疫背景下的細胞遷移極為重要，在侵襲性乳腺癌和惡性嗜酸細胞甲狀腺腫瘤中能夠觀察到DRP1水平升高。對上皮細胞和乳腺癌細胞的研究表明，與淋巴細胞的情況類似，通過過表達Opa1或沉默Drp1增加線粒體延長可抑制其運動性和遷移。
近期研究還發現，棕色脂肪組織（BAT）中的Opa1敲除通過誘導成纖維細胞生長因子21（FGF21）的表達和分泌來刺激白色脂肪組織（WAT）棕色化[13]。在人體中，WAT儲存能量，而BAT通過UCP1（解偶聯蛋白1）介導的產熱作用將能量轉換成熱量。脂肪組織功能障礙與代謝性疾病有關，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通過影響尿素循環和Jumanji家族組蛋白去甲基化酶Kdm3a使WAT發生自主棕色化[14]。
3. 線粒體自噬
在營養消耗過程中，自噬會發生以降解不必要的或功能失調的細胞組件，產生氨基酸，并調動脂質儲備。線粒體的延長和嵴的重塑在這一過程中起著重要作用。目前，介導線粒體自噬的經典通路包括：1．PINK1-Parkin通路。在壓力條件下，PINK1穩定在OMM上，促進了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，作為自噬機制的“吃我”信號。適配器蛋白(p62，OPTN，NDP52)識別線粒體蛋白上的磷酸化的多聚泛素鏈，并通過與LC3結合，啟動自噬體形成。TBK1磷酸化OPTN，從而增強其與泛素鏈的結合親和力。OPTN-TBK1復合物建立了促進線粒體清除的前饋機制。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進行蛋白酶體降解來調節線粒體動力學和運動。2.受體介導。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磷酸化增強了它們與LC3的聯系。CK2、Sc激酶和PGAM5磷酸酶均影響FUNDC1磷酸化狀態，調節缺氧時線粒體動力學。
新的證據表明，轉錄因子MondoA是細胞衰老、自噬和線粒體穩態的調節因子。MondoA通過激活自噬，部分通過抑制自噬負調節因子Rubicon來保護細胞衰老。此外，過氧化物酶體蛋白3（Prdx3）是MondoA的另一個獨立于Rubicon的下游調節因子，對線粒體穩態和自噬至關重要。MondoA敲除小鼠在缺血性急性腎損傷（AKI）期間加劇了衰老，并且細胞核中MondoA的減少與人類衰老和缺血性AKI相關。以上結果表明，MondoA的下降會惡化衰老和與年齡相關的疾病[15]。
在腫瘤的發生發展中，線粒體自噬通過抑制功能失調的線粒體積累、細胞氧化應激、基因組不穩定和炎癥來防止肝細胞腫瘤的發生[16]。在癌癥小鼠模型中，敲除自噬必需基因產生自噬缺陷，導致缺陷線粒體和其他自噬底物的積累，損害線粒體呼吸、細胞生長和生存，同時增加細胞死亡和衰老。對已確診為RAS驅動型肺癌的小鼠進行系統性的急性自噬消融，在對大多數正常組織產生顯著損傷之前，會產生大量的腫瘤消退，這表明一些腫瘤特別依賴自噬。重要的是，與自噬完整產生的癌相比，自噬缺失腫瘤類似于良性的嗜酸細胞瘤，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展的必要條件。
線粒體參與的疾病
線粒體功能失調對人類的健康影響大且廣，線粒體功能障礙主要表現在線粒體形態結構的改變、ATP合成減少、活性氧物種的過度產生、動力學失衡和mtDNA損傷。其功能失調與人體各個系統的疾病如神經系統疾病、心血管系統疾病、肝臟疾病、腎臟疾病、糖尿病以及DNA損傷反應相關癌癥的發生與發展聯系緊密。癌細胞雖然不需要線粒體提供的能量就能存活，但癌細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揮關鍵作用。這就意味著，剝奪癌細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. 中國藥理學報: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.
