線粒體自噬受體FUNDC1研究進展

朱 鈺 綜述 李永華 審校

(1濟寧醫(yī)學院臨床醫(yī)學院，濟寧 272013；2濟寧醫(yī)學院附屬醫(yī)院，濟寧 272029)

線粒體是細胞內(nèi)產(chǎn)生能量的主要場所，通過氧化磷酸化產(chǎn)生三磷酸腺苷，同時也產(chǎn)生活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)，維持線粒體穩(wěn)態(tài)即線粒體質(zhì)量控制包括線粒體融合、分裂、自噬等，其中自噬作為細胞高選擇性移除功能障礙或剩余線粒體的途徑之一對細胞的正常生理功能至關(guān)重要。有兩種不同的線粒體自噬途徑，分別是PINK1/Parkin途徑和受體介導的途徑[1]。后者以受體BNIP3、NIX /BNIP3L、含F(xiàn)UN14域蛋白1(FUN14 domain containing 1，F(xiàn)UNDC1)和PHB2(Prohibitin 2)與微管相關(guān)蛋白1輕鏈 3(microtubule-associated protein 1 light chain 3，LC3)相互作用介導自噬[2]。線粒體自噬的失調(diào)導致癌癥、神經(jīng)退行性疾病(如帕金森病)、肌肉萎縮、衰老、糖尿病和心力衰竭等多種疾病的發(fā)生[3]。因此，對線粒體自噬調(diào)控機制的解讀，為我們更好地研究相關(guān)疾病的發(fā)病機制奠定了基礎。本文就FUNDC1介導線粒體自噬的機制以及與相關(guān)疾病的關(guān)系做一綜述。

1 FUNDC1結(jié)構(gòu)與功能

FUNDC1蛋白由155個氨基酸構(gòu)成，是哺乳動物細胞中介導線粒體自噬的一種新型線粒體膜蛋白，其包含3個高疏水性的斜螺旋延伸跨膜結(jié)構(gòu)域和LC3相互作用區(qū)(LC3-interacting region，LIR)，其N端位于細胞質(zhì)中，C端位于線粒體內(nèi)外膜間隙中[2](見圖1)。FUNDC1是一種高度保守的蛋白，其同源蛋白從低級的細菌酵母菌到高級靈長類動物中均可見[4]。內(nèi)源性FUNDC1僅定位于線粒體外膜上，并在缺氧條件下被激活[2]，而后通過信號級聯(lián)反應介導線粒體自噬。LIR是一個短序列LC3結(jié)合區(qū)域：Y(18)xxL(21)，通過在細胞質(zhì)暴露的N端與LC3相互作用，可以與LC3和GABARAP(gamma-aminobutyric acid receptor-associated protein)家族的相關(guān)成員結(jié)合在自噬分離膜上；Y18和L21的突變或LIR的缺失會破壞FUNDC1與LC3的相互作用及其介導的線粒體自噬功能[2]。在正常情況下，F(xiàn)UNDC1在Y18被肉瘤基因(Sarcoma gene，Src)激酶磷酸化，在S13被肌酸激酶2(creatine kinase 2，CK2)磷酸化形成p-FUNDC1(非活性形式)抑制線粒體自噬。而在低氧條件下相關(guān)殘基去磷酸化，從而使FUNDC1可以與LC3相互作用[2,5]。這說明FUNDC1蛋白磷酸化/去磷酸化是線粒體自噬中重要的一環(huán)。

圖1 線粒體外膜FUNDC1蛋白的結(jié)構(gòu)[5]

2 FUNDC1與線粒體自噬

2.1 線粒體相關(guān)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜(mitochondria-associated ER membranes，MAMs)與FUNDC1

FUNDC1在線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)之間的界面MAMs上發(fā)揮其功能。MAMs匯集了關(guān)鍵的信號通路，這些信號通路有助于在細胞應激反應中在凋亡和自噬之間做出決定；它還通過吸收和釋放通道的緊密耦合參與細胞器之間的鈣轉(zhuǎn)移。MAMs在線粒體分裂、凋亡和線粒體自噬中起重要作用。此外，在位于線粒體-內(nèi)質(zhì)網(wǎng)接觸處存在一個電壓依賴陰離子通道(voltage dependent anion channels，VDAC)、75kDa葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白(GRP75)和肌醇1，4，5-三磷酸受體(inositol 1，4，5-trisphosphate receptor,IP3R)蛋白復合體，復合體介導Ca2+在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體之間的轉(zhuǎn)移[6](見圖2)。FUNDC1與IP3R2受體相互作用，一方面可以促進MAMs的穩(wěn)定，同時還可促進內(nèi)質(zhì)網(wǎng) Ca2+轉(zhuǎn)移到線粒體和細胞質(zhì)[7]。在缺血、缺氧引起的心肌疾病中，F(xiàn)UNDC1的增加促進MAMs的穩(wěn)定，引起線粒體內(nèi)Ca2+增加和線粒體裂變1蛋白(fisson1，F(xiàn)is1)的表達增加，促進了線粒體自噬與分裂，并且FUNDC1的遺傳缺失(FUNDC1 KO)會導致心功能障礙和心力衰竭[7]。Wu等[8]發(fā)現(xiàn)在小鼠糖尿病模型心肌細胞中FUNDC1水平升高，與IP3R2的結(jié)合增加MAMs形成，從而引起線粒體內(nèi)Ca2+增加與Fis1的表達增加，導致線粒體功能障礙，進而損害了心肌結(jié)構(gòu)與功能。在不同的疾病進展中，F(xiàn)UNDC1介導的病理機制也不盡相同。FUNDC1是否通過調(diào)控IP3R2表達或降解來促進MAMs的形成，這一點還有待于進一步研究證實。

注：MCU，線粒體鈣單向轉(zhuǎn)運體；OMM，線粒體外膜

2.2 FUNDC1磷酸化

2.2.1ULK1與FUNDC1 unc-51樣激酶1(unc-51 like kinase 1，ULK1)參與了細胞自噬的誘導，但其具體作用機制仍不清楚。ULK1也參與了FUNDC1受體介導的線粒體自噬。ULK1是激活FUNDC1的一種調(diào)控方式，它是自噬的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，通過Ser17位點磷酸化激活FUNDC1[2]。在低氧處理的大鼠嗜鉻細胞瘤PC-12細胞中，ULK1的mRNA和蛋白水平顯著提高，并明顯上調(diào)了FUNDC1的表達，提示低氧促進了細胞線粒體自噬[9]。ULK1是由腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)控制的，在低氧條件下，AMPK能磷酸化ULK1 S555，導致轉(zhuǎn)位復合物轉(zhuǎn)到線粒體，并磷酸化FUNDC1[10]。ULK1在線粒體自噬過程中是引導溶酶體進入線粒體所必需的。細胞磷酸化蛋白質(zhì)組分析和質(zhì)譜分析表明，F(xiàn)UNDC1 Ser17是一個潛在的磷酸化位點。ULK1的異位表達顯著增強了FUNDC1的Ser17磷酸化，而敲除ULK1則顯著抑制了FUNDC1的Ser17磷酸化[11]。ULK1在Ser17位點磷酸化FUNDC1并相互作用，促進FUNDC1與LC3的結(jié)合，增強線粒體自噬。這是連接自噬小體和線粒體片段的重要過程。綜上所述，F(xiàn)UNDC1可以將ULK1招募到功能失調(diào)的線粒體中，ULK1通過Ser17位點磷酸化激活FUNDC1，以加速線粒體自噬。

2.2.2蛋白激酶Src與FUNDC1 Src激酶是一種酪氨酸激酶和調(diào)節(jié)蛋白，在細胞生長、分化、增殖和存活中起關(guān)鍵作用。位于線粒體的Src激酶可能負責FUNDC1 Tyr18位點的磷酸化。在生理條件下，活化的 Src激酶磷酸化Tyr18抑制FUNDC1介導的線粒體自噬。此外，由于磷酸化的FUNDC1可能會與LC3的疏水囊發(fā)生沖突，從而消除其與LC3的結(jié)合親和性，因此，LC3優(yōu)先與去磷酸化的FUNDC1相互作用[2]。在低氧條件下，失活的Src激酶引起FUNDC1去磷酸化誘導自噬[2]。低氧下，F(xiàn)UNDC1通過去磷酸化進行構(gòu)象修飾，這可能會減弱LC3相互作用的空間干擾，導致FUNDC1與LC3-II的共定位。綜上所述，Src激酶在生理條件下磷酸化FUNDC1的Tyr18可抑制FUNDC1介導的自噬。相反，低氧條件下去磷酸化的FUNDC1和失活的Src激酶導致FUNDC1和LC3-II之間的相互作用和共定位顯著增加，促使線粒體自噬的發(fā)生。這些發(fā)現(xiàn)對線粒體外膜蛋白FUNDC1如何調(diào)控自噬，以及Src激酶是如何調(diào)控FUNDC1介導的線粒體自噬提供了最新的見解。

2.3 FUNDC1去磷酸化

2.3.1PGAM5與FUNDC1 磷酸甘油變位酶家族蛋白5(phosphoglycerate mutase family member 5，PGAM5)作為線粒體Ser/Thr磷酸酶，參與調(diào)節(jié)線粒體內(nèi)穩(wěn)態(tài)的多個過程[12]。PGAM5被線粒體膜電位缺失激活，可能與PINK1激酶同時觸發(fā)線粒體自噬，它通過Ser13位點去磷酸化激活FUNDC1[13]，去磷酸化的FUNDC1對LC3有明顯更高的親和力，從而導致FUNDC1和LC3相互作用，導致選擇性的自噬結(jié)合和隨后受影響的線粒體的自噬移除[2,5]。PGAM5對FUNDC1的去磷酸作用可以通過CK2磷酸化FUNDC1來逆轉(zhuǎn)。PGAM5和CK2組成的調(diào)節(jié)回路將線粒體應激信號與FUNDC1的磷酸化/去磷酸化連接起來，從而調(diào)節(jié)線粒體自噬。

2.3.2BCL2L1與FUNDC1 BCL2家族控制線粒體凋亡、線粒體自噬和線粒體穩(wěn)態(tài)[14]。PGAM5的激活與抗凋亡蛋白Bcl2 Like 1(BCL2L1)密切相關(guān)。在正常條件下，BCL2L1通過BH3結(jié)構(gòu)域與PGAM5相互作用，抑制PGAM5的激活，進而阻止Ser13去磷酸化[15]。在低氧條件下，BCL2L1降解，PGAM5釋放，促進Ser13去磷酸化，從而啟動FUNDC1介導的自噬。因此，BCL2L1-PGAM5-FUNDC1軸在響應低氧誘導的自噬中起關(guān)鍵作用。在多種病理生理條件下，細胞如何感知外界刺激來調(diào)節(jié)FUNDC1的去磷酸化狀態(tài)將是未來研究的重點。在不同人群中可能存在PGAM5/BCL2L1基因多態(tài)性，該基因多態(tài)性將是未來基因治療的關(guān)鍵。

3 FUNDC1與疾病

3.1 癌癥

癌癥是由癌細胞惡性增殖所致，癌細胞的代謝重編程發(fā)生異常[16]。線粒體作為代謝重編程的主要細胞器參與了癌癥的發(fā)生與發(fā)展過程。FUNDC1在癌癥中的作用尚未得到充分的研究。近年來，乳腺癌的發(fā)病率位列女性惡性腫瘤之首，成為威脅女性健康的重要因素[17]。FUNDC1作為一種新發(fā)現(xiàn)的線粒體自噬蛋白，其在乳腺癌中的表達模式和功能尚不清楚。相關(guān)研究探索了FUNDC1在乳腺癌組織中的表達譜[18-21]，數(shù)據(jù)顯示，F(xiàn)UNDC1在乳腺癌組織中的表達明顯高于正常乳腺上皮組織；FUNDC1 mRNA水平升高與乳腺癌患者生存期呈負相關(guān)；FUNDC1蛋白在乳腺癌組織中的表達水平分別與腫瘤大小、轉(zhuǎn)移和死亡呈正相關(guān)；FUNDC1水平高的乳腺癌患者預后較差，這表明FUNDC1相關(guān)表達水平的上調(diào)可能增強了乳腺癌細胞的增殖、遷移和侵襲。同時有研究表明FUNDC1可能通過與浸潤的免疫細胞相互作用來影響癌癥患者的預后[22]。在FUNDC1高表達的癌癥中，腦癌、皮膚癌、肝癌預后較差，肺癌、卵巢癌、腎癌、甲狀腺癌預后較好[22]。FUNDC1參與了癌癥的發(fā)病、進展和預后，F(xiàn)UNDC1可能是癌癥治療的一個有前景的生物標志物和靶點。

3.2 心血管疾病

線粒體功能障礙與各種心血管疾病的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)。研究表明，在病理條件下，F(xiàn)UNDC1在維持心血管細胞穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮著重要作用[3,23-24]。心肌細胞含有大量線粒體，約占心肌總體積的30%～40%，成人心臟每天通過線粒體氧化磷酸化系統(tǒng)消耗大量ATP來支持心臟功能。Zhou等[25]報道在急性心肌缺血-再灌注后CK2水平以時間依賴性的方式升高，導致線粒體損傷和心功能障礙。功能分析顯示，CK2的增加上調(diào)了磷酸化的FUNDC1的表達，同時這一結(jié)果還伴隨著線粒體自噬停止和心肌細胞線粒體功能障礙。敲除CK2可恢復FUNDC1介導的自噬，從而形成保護線粒體和心臟免受缺-再灌注損傷。心肌細胞和血小板在缺血-再灌注期間均檢測到自噬。在低氧處理和缺血-再灌注小鼠中血小板總FUNDC1和Tyr18位磷酸化FUNDC1的水平均降低，提示Tyr18位磷酸化FUNDC1可能與缺血-再灌注的發(fā)病機制有關(guān)[26]。另外FUNDC1介導的線粒體自噬可以調(diào)節(jié)血小板活化及細胞凋亡，促進血小板活化，增加血小板聚集、黏附分子的表達和微血栓的形成[27]。總之，F(xiàn)UNDC1介導的線粒體自噬與心血管疾病的發(fā)生密切相關(guān)，未來FUNDC1可成為心血管疾病的治療靶點之一。

3.3 眼部疾病

糖尿病視網(wǎng)膜病變(diabetic retinopathy，DR)是糖尿病常見的一種特殊的微血管并發(fā)癥。目前在DR中線粒體自噬的研究尚少。由于DR和視網(wǎng)膜脫離病理機制均包括視網(wǎng)膜缺血缺氧，并且研究表明在大鼠視網(wǎng)膜脫離模型中，脯氨酰羥化酶抑制劑可通過穩(wěn)定缺氧誘導因子-1a(hypoxia inducible factor-1a ，HIF-1a)增強FUNDC1介導的線粒體自噬，減少因ROS過量引起的光感受器細胞損傷[28]。這提示在視網(wǎng)膜中FUNDC1介導的線粒體自噬極有可能也參與DR的發(fā)病。目前眼科疾病中FUNDC1介導的線粒體自噬的研究尚少，其機制仍需深入探討。FUNDC1介導線粒體自噬的干預可能為眼科疾病的治療提供一種新的策略。

4 小結(jié)與展望

線粒體自噬與人體細胞穩(wěn)態(tài)的維持和疾病息息相關(guān)，密不可分。FUNDC1介導的線粒體自噬可選擇性地清除功能障礙的線粒體，進而減少對細胞和組織的損傷，在疾病的發(fā)生發(fā)展中起重要作用。盡管FUNDC1介導的線粒體自噬在許多線粒體相關(guān)疾病中的作用正在顯現(xiàn)，但闡明這些復雜的病理生理過程并將分子信息轉(zhuǎn)化為醫(yī)學仍有很長的路要走。鑒于不同的疾病條件下可能存在不同的應激信號，因此，有必要確定具體的上游信號分子，特別是發(fā)病機制中的蛋白激酶和磷酸酶。

未來在細胞和分子水平上對FUNDC1機制的研究將有助于闡明FUNDC1的作用，更加深入了解線粒體自噬的調(diào)控機制，掌握其在相關(guān)疾病中的作用，將為疾病的治療提供一種新的方法。

利益沖突：所有作者均申明不存在利益沖突。