Drp1的功能調(diào)節(jié)及其與阿爾茨海默病的關(guān)系

胡揚揚 韓小建 蔣麗萍

(南昌大學醫(yī)學院，江西 南昌 330006)

·綜 述·

Drp1的功能調(diào)節(jié)及其與阿爾茨海默病的關(guān)系

胡揚揚 韓小建1蔣麗萍2

(南昌大學醫(yī)學院，江西 南昌 330006)

動力相關(guān)蛋白1；線粒體動力學；阿爾茨海默病

阿爾茨海默病(AD) 是臨床上最常見的慢性進行性神經(jīng)退行性疾病之一，其主要臨床特征包括進行性的認知障礙和記憶喪失。AD多發(fā)病于 50 歲以后，且其發(fā)病率隨年齡而顯著增高，因此年齡是老年癡呆癥最常見的病因之一。證據(jù)顯示，在AD的神經(jīng)細胞中存在線粒體動力學異常的現(xiàn)象，表明線粒體對神經(jīng)細胞的生存起著至關(guān)重要的作用。首先，線粒體不僅是產(chǎn)生ATP的重要細胞器，同時也參與了其他多種細胞活動，如細胞內(nèi)的鈣緩沖、自由基清除和細胞增殖等。其次，線粒體還是高度動態(tài)變化的細胞器，能在細胞中不停地發(fā)生移位，其形態(tài)也通過不斷的融合和分裂活動發(fā)生改變〔1〕。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)其分裂和融合活動受一些大GTP酶蛋白的調(diào)節(jié)。在哺乳動物細胞中，線粒體分裂主要受線粒體分裂蛋白(Drp)1來調(diào)控。最近有研究表明，在大多的病理條件下，比如癌癥、肥胖癥、糖尿病、心血管疾病和神經(jīng)退行性疾病包括AD都與線粒體動態(tài)平衡有著密切的關(guān)系〔2～4〕。線粒體的分裂對調(diào)控細胞的生存和死亡起著重要的作用。Drp1的GTP酶活性是線粒體分裂所必需的〔2〕，并且增加Drp1的GTP酶活性會導致線粒體的過度分裂。調(diào)控線粒體融合的蛋白主要有視神經(jīng)萎縮蛋白1(Opa1)、線粒體融合蛋白(Mfn)1和Mfn2〔2，5〕。線粒體融合對保持線粒體的完整性，維持線粒體ATP供應(yīng)和正常的神經(jīng)功能起著重要的作用。已經(jīng)證實了，神經(jīng)元的線粒體半衰期只有2～3 w，并且損傷的線粒體會通過線粒體自噬來清除〔6〕。

1 Drp1的結(jié)構(gòu)

Drp1(又稱DVLP、DLP1以及Dymple)，日本筑波大學Shin等〔7〕在1997年首次發(fā)現(xiàn)該蛋白。近年來的研究表明Drp1是調(diào)控線粒體分裂的關(guān)鍵性蛋白。并且自從1997年發(fā)現(xiàn)Drp1蛋白以后，對它的結(jié)構(gòu)以及功能都有了很充分的研究。Drp1對線粒體分裂以及維持線粒體在軸突、樹突和突觸的分布都是必不可少的。Drp1已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)存在于人的大腦、肺、心臟、腎、脾、肝、肝細胞、睪丸和纖維母細胞中，并且也在植物中、酵母、蠕蟲和嚙齒動物和其他哺乳動物中也發(fā)現(xiàn)了Drp1或其同源體的存在。Drp1是一個大GTP酶分子，其N端具有GTP酶結(jié)構(gòu)域，C端為GTP酶效應(yīng)結(jié)構(gòu)域(GED)，中間是Dynamin同源結(jié)構(gòu)域(又稱中間區(qū))和Insert B區(qū)。Drp1主要分布在細胞漿，并以多聚體的形式存在。Drp1蛋白屬于動力蛋白超家族的成員，這種家族蛋白的N端含有進化上保守的GTP酶區(qū)，同時C端還含有血小板-白細胞激酶底物和富含脯氨酸區(qū)，但是Drp1卻不包含血小板-白細胞激酶底物和脯氨酸區(qū)。

2 Drp1的功能

Drp1是一種多功能蛋白。研究表明Drp1參與了線粒體分裂、分布以及過氧化物酶體片段化的過程，并且Drp1的活性和功能也受磷酸化、類泛酸蛋白化(SUMO化)和泛素化的調(diào)控。

2.1 Drp1和線粒體分裂 證據(jù)顯示，Drp1及其同源體在酵母、線蟲和哺乳動物中參與了線粒體分裂的過程〔8，9〕。而其他線粒體分裂蛋白包括線粒體分裂蛋白(Fis)1、線粒體分裂因子(Mff)以及線粒體動態(tài)蛋白MiD49和MiD51也都參與了線粒體分裂過程，當線粒體分裂時，這些蛋白會招募位于細胞質(zhì)的Drp1，并與之結(jié)合來調(diào)控線粒體的分裂〔10〕。另外，在哺乳動物細胞中正常表達的Drp1能維持線粒體動力學平衡，而其顯性負突變體Drp1K38A過表達則會引起線粒體的動態(tài)異常。研究發(fā)現(xiàn)，敲低小鼠的內(nèi)源性Drp1會明顯增加神經(jīng)細胞與非神經(jīng)細胞中線粒體的長度〔11〕，導致神經(jīng)細胞的死亡。因此，Drp1不僅參與調(diào)控線粒體的形態(tài)，還會影響神經(jīng)細胞的存活。

2.2 Drp1和線粒體分布 研究報道，Drp1不僅能介導線粒體分裂，而且參與了調(diào)節(jié)線粒體的分布〔12〕。在AD的錐體神經(jīng)細胞中，Drp1的表達明顯降低，大量線粒體聚集在胞體周圍，而軸突遠端的線粒體大量缺失〔5〕。對β-淀粉樣蛋白前體蛋白(APP)轉(zhuǎn)基因小鼠的原代海馬神經(jīng)細胞的研究發(fā)現(xiàn)，相比于野生型的海馬神經(jīng)細胞，在轉(zhuǎn)入APP基因的細胞中線粒體過度分裂，并且大量的線粒體集中分布在胞體〔13〕。在AD的神經(jīng)細胞中，Drp1能影響線粒體在細胞內(nèi)的分布，線粒體由長梭形變成橢圓形，并且逐步向胞體靠攏，導致神經(jīng)末梢的線粒體大量缺失，最終無法供應(yīng)ATP，影響細胞的存活〔14〕。而線粒分布異常也會影響神經(jīng)細胞的功能紊亂，在果蠅的研究中發(fā)現(xiàn)，軸突末端線粒體的缺失會導致神經(jīng)突觸的功能異?！?5〕。而這些研究表明，在AD的神經(jīng)細胞中，Drp1介導的線粒體分布會導致神經(jīng)突觸以及神經(jīng)細胞功能的改變。

2.3 Drp1和過氧化物酶片段化 最近一些研究還表明，Drp1是參與過氧化物酶體的分裂和維持過氧化物酶體形態(tài)所必需的，在哺乳動物細胞中，Drp1能和Fis1以及Mff受體相互作用，參與了分割過氧化物酶體的過程〔8〕。為了研究Drp1對過氧化物酶體的影響，在表達Pex11β以及Drp1的顯性負突變體Drp1K38A的大鼠模型中，Drp1的表達上調(diào)或Drp1與過氧化物酶蛋白Pex11β結(jié)合后會使得過氧化物酶體呈細管狀，導致過氧化物酶體長度增加，但是不影響過氧化物酶體在細胞內(nèi)的分布。除此之外，在另外的一些研究當中發(fā)現(xiàn)，在敲除Drp1的胚胎成纖維細胞中過氧化物酶體會由原來的橢圓形變成細長的管狀，導致過氧化物酶體的長度增加〔11〕。這些研究結(jié)果都表明，Drp1在過氧化物酶體的分裂過程中起著重要的作用。

2.4 Drp1磷酸化和線粒體功能的變化 無論是健康還是疾病狀態(tài)下，Drp1磷酸化都參與了線粒體動力學的過程。而Reddy〔16〕在神經(jīng)退行性疾病的研究中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，Drp1磷酸化會引起線粒體動態(tài)學的變化。Chou等〔17〕研究發(fā)現(xiàn)，糖原合成酶激酶(GSK)3β能對Drp1的Ser637，Ser616以及Ser693進行磷酸化修飾。Drp1在Ser 637的磷酸化修飾能抑制線粒體的分裂，但是Drp1在Ser 616的磷酸化修飾則會促進線粒體的片段化。而Drp1在Ser 693磷酸化修飾會導致線粒體融合增加，并且能增強抗凋亡的能力。Kashatus等〔18〕也發(fā)現(xiàn)，CDK1介導的Drp1 Ser616磷酸化能促進線粒體的分裂。另外，在Han等〔19〕的研究中，鈣調(diào)素依賴性蛋白激酶CAMKIα介導Drp1的Ser600磷酸化也能引起線粒體分裂。最近，Yan等〔20〕的研究發(fā)現(xiàn)，GSK3β也能對Drp1的Ser40和Ser44磷酸化修飾，引起線粒體過度分裂，導致神經(jīng)細胞更容易遭受Aβ誘導的凋亡。這些結(jié)果都提示，Drp1磷酸化是參與了線粒體動力學的改變，并且能引起線粒體功能的變化。

2.5 Drp1和SUMO化 眾多研究表明，SUMO化蛋白和Drp1存在相互作用，并且Drp1與這些蛋白作用可能會調(diào)控線粒體分裂〔21〕。盡管SUMO化對神經(jīng)細胞的發(fā)展發(fā)育并不重要，但是這種機制能影響神經(jīng)細胞的存活。Harder等〔22〕發(fā)現(xiàn)，Drp1和Ubc9 以及 Sumo1存在相互作用，引起線粒體分裂。研究還發(fā)現(xiàn)，Sumo1和內(nèi)源性Drp1存在共定位的現(xiàn)象，并且瞬時轉(zhuǎn)染Sumo1會導致線粒體片段化水平上升。過表達的Sumo1會特異性抑制Drp1降解，使得Drp1的結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，活性更高。與此同時，Sumo1的過表達則會引起線粒體片段化增加〔22〕。Braschi等〔23〕發(fā)現(xiàn)，Drp1 SUMO化能刺激線粒體分裂。Figueroa-Romero等〔24〕也證實了，Drp1 SUMO化能影響Drp1在細胞內(nèi)的分布。除此之外，Zunino等〔25〕研究表明，在有絲分裂間期SenP5主要存在細胞核，而在G2/M轉(zhuǎn)換時SenP5會大量聚集在線粒體表面，導致Drp1水平上升，引起線粒的分裂。這些結(jié)果表明，Drp1 SUMO化參與調(diào)控線粒體分裂。然而有必要進一步研究Drp1 SUMO在神經(jīng)退行性疾病中的地位，尤其是在AD中。

2.6 Drp1和泛素化 已經(jīng)有研究表明，Drp1通過線粒體E3泛素連接酶(MARCH5)進行泛素化修飾，從而調(diào)控線粒體分裂。Karbowski 利用免疫熒光和生物化學的方法確定Drp1和MARCH5是存在相互作用的，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，突變的MARCH5和MARCH5 RNAi會誘導線粒體融合，從而認為突變的MARCH5會干擾線粒體的分裂。Park等〔26〕研究發(fā)現(xiàn)，下調(diào)MARCH5表達能導致線粒體長度伸長，抑制Drp1的活性，促進神經(jīng)細胞衰老?？傊@些研究表明，Drp1存在泛素化修飾過程。然而，目前尚不十分清楚Drp1泛素化修飾在AD以及其他神經(jīng)退行性疾病的作用。

3 Drp1，線粒體動力學和AD

已經(jīng)有研究表明，線粒體動力學異常和神經(jīng)突觸損傷發(fā)生在AD早期。有研究發(fā)現(xiàn)，在穩(wěn)定表達APPswe的M17細胞中80%存在線粒體動力學紊亂〔27〕。線粒體表現(xiàn)高度的片段化，并且大量集中在細胞核的周圍。從功能的觀點來看，過表達APP會影響線粒體的多方面功能，包括活性氧簇(ROS)水平上升，線粒體膜電位下降，ATP合成。這些結(jié)果最終導致神經(jīng)功能紊亂。同樣還發(fā)現(xiàn)在APPwt和APPswe的M17細胞中，Drp1和Opa1表達的下調(diào)以及Fis1表達的上調(diào)；在過表達APP的M17中，通過產(chǎn)生的大量β淀粉樣蛋白(Aβ)，打破線粒體分裂和融合的平衡，最終導致線粒體和神經(jīng)功能異常。同樣，另外的研究中發(fā)現(xiàn)，Aβ衍生擴散性配體(ADDLs)會導致線粒體分裂，以及線粒體分布異常；并且ADDLs會導致神經(jīng)突觸的損失，特別是M17細胞的樹突棘和PSD95部位〔5〕。

最近，Reddy實驗室的研究發(fā)現(xiàn)，Aβ能作用于Drp1，影響Drp1的活性和功能，從而引起線粒體功能紊亂以及神經(jīng)突觸的退化。最終導致了AD的發(fā)病〔16〕。研究結(jié)果顯示，利用Aβ25-35處理小鼠的N2a細胞后，線粒體分裂基因的mRNA水平上升，而融合基因的mRNA水平下降，線粒體分裂增加，神經(jīng)突觸減少并且引起突觸的功能紊亂，最終導致神經(jīng)功能的損傷〔28〕。同樣地，在Tg2576 轉(zhuǎn)基因小鼠的原代神經(jīng)細胞研究中發(fā)現(xiàn)，Drp1和Fis1的mRNA水平上升，而Mfn1，Mfn2和Opa1的mRNA水平下調(diào)。利用透射電子顯微鏡觀察神經(jīng)元發(fā)現(xiàn)，在AβPP原代神經(jīng)細胞內(nèi)，線粒體大量聚集在胞體，并且線粒體的嵴已經(jīng)破碎。說明Aβ寡聚體的累積，也會引起線粒體和神經(jīng)突觸的損失，最終導致神經(jīng)退行性變的發(fā)生。另外，Reddy等〔16〕人還發(fā)現(xiàn)，在AD病人的額葉皮層組織中，Drp1和Fis1的表達上升，而Mfn1，Mfn2，Opa1和Tomm40的表達下調(diào)。有研究〔29〕利用AD病人的胞質(zhì)雜種細胞系也發(fā)現(xiàn)，線粒體分裂蛋白表達上升，而融合蛋白表達下降?？傊?，這些研究結(jié)果表明，在AD的神經(jīng)細胞中，Aβ的沉積會引起線粒體的動態(tài)異常，神經(jīng)突觸的損傷，最終導致神經(jīng)退行性改變〔30〕。

4 總 結(jié)

線粒體功能障礙和神經(jīng)突觸損傷是AD發(fā)病早期的變化。AD的神經(jīng)細胞中存在線粒體動力學紊亂已經(jīng)得到證實。越來越多的證據(jù)表明，線粒體動力學平衡對維持線粒體的形態(tài)，分布和大小是至關(guān)重要的。而線粒體動力學異常在神經(jīng)變性疾病發(fā)生和發(fā)展過程的地位日益受到重視。雖然許多研究已經(jīng)闡明，Drp1對線粒體動態(tài)調(diào)節(jié)起著重要的作用，但是Drp1介導線粒體動力學的機制并不是十分清楚。那么，Drp1在線粒體動力學中的研究，不僅在于揭示AD的病理機制，更重要的是為AD的治療提供了新的靶標。

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〔2016-09-15修回〕

(編輯 袁左鳴)

國家自然科學基金(No.31360241)；國家教育部高校博士點基金-新教師類(No.20123601120001)；江西省教育廳基金(No.GJJ13162)

韓小建(1974-)，男，博士，碩士生導師，主要從事線粒體動態(tài)變化的相關(guān)研究。 蔣麗萍(1965-)，女，博士，博士生導師，主要從事心血管疾病的相關(guān)研究。

胡揚揚(1991-)，男，在讀碩士，主要從事阿爾茨海默病的相關(guān)研究。

R966

A

1005-9202(2017)06-1535-04；

10.3969/j.issn.1005-9202.2017.06.103

1 南昌大學附屬眼科醫(yī)院眼視光研究所

2 南昌大學醫(yī)學部藥學院