線粒體自噬及運動對其的調(diào)控作用

方正

(華東師范大學(xué)體育與健康學(xué)院 上海 200062)

細胞自噬是細胞通過識別并吞噬自身胞質(zhì)成分,加以降解和回收利用,以調(diào)節(jié)細胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài),對細胞及其亞結(jié)構(gòu)進行質(zhì)量控制的一種生物學(xué)過程[1]。其作用底物包括長壽命的生物大分子、多余或受損的細胞器以及入侵的病原微生物。在正常情況下,細胞自噬通常維持在較低水平。當(dāng)細胞受到營養(yǎng)匱乏、熱應(yīng)激、氧化應(yīng)激以及損傷等外界刺激時,自噬可以作為一種細胞應(yīng)答過程而被誘導(dǎo)激活。在酵母細胞中,自噬小體是由自噬前體(PAS)發(fā)育而來。而在哺乳動物細胞內(nèi),它的起源是多因素性的。自噬的幾個步驟包括:隔離膜的膨脹、自噬小體的產(chǎn)生、自噬小體向溶酶體的轉(zhuǎn)運等。這些過程受到了超過30種以上已識別的Atg蛋白的介導(dǎo)或調(diào)節(jié)。

到目前為止,發(fā)現(xiàn)的大自噬類型有兩種:非選擇性自噬和選擇性自噬。非選擇性自噬通常發(fā)生在營養(yǎng)缺乏時。此時通過自噬能為細胞的新陳代謝提供材料和能量,直到細胞再一次從外界獲得能量供應(yīng)。相比之下,細胞在營養(yǎng)充足條件下,發(fā)生的選擇性自噬,其目的則是為了清除多余的或受損的細胞器或有毒的蛋白聚合體。這些變化通常是通過改變能量供給,或者是分化過程來達到的。

線粒體自噬是一種典型的選擇性自噬,它是細胞有選擇性地清除細胞內(nèi)線粒體的過程。在酵母細胞和哺乳動物細胞中,線粒體自噬在線粒體分裂之前,將受損的線粒體分解了各種碎塊,然后進行選擇性的自噬加以清除,以達到質(zhì)量控制的目的。除了質(zhì)量控制以外,線粒體自噬還被證明在調(diào)節(jié)線粒體數(shù)量、改變代謝需要,以及在哺乳動物細胞生長發(fā)育的特定階段的過程中維持線粒體的穩(wěn)態(tài)所必須的,例如血紅細胞的分化過程。

本文將討論最新研究所發(fā)現(xiàn)的酵母細胞和哺乳動物細胞中的線粒體自噬調(diào)節(jié)通路,它們包括PINK1和泛素連接酶parkin。同時,我們還將對運動干預(yù)對線粒體自噬水平的調(diào)控作用進行闡述。

1 酵母細胞中的線粒體自噬

觀察酵母細胞中線粒體自噬現(xiàn)象,促進了我們對線粒體自噬分子機制的研究。研究表明,自噬相關(guān)蛋白Atg32在線粒體自噬過程中是必需的。Atg32是一種定位于線粒體外膜上,分子量約為60KD的蛋白質(zhì),其羧基端位于膜間隙內(nèi),而約40KD的氨基端位于胞質(zhì)。在線粒體自噬過程中,Atg32可以作為線粒體的受體與Atg11相結(jié)合,定位于PAS,然后與Atg8相互作用。有趣的是,在位于胞漿中的Atg32上有含有一段WXXL/L樣的Atg8結(jié)合序列,這個序列對于Atg32與Atg8結(jié)合,并引起線粒體自噬是必需的。因此我們說Atg32有兩種方式與Atg8結(jié)合,一種是通過Atg11作為中介,另一種是通過Atg32自身所包含的WXXL/L樣Atg8結(jié)合序列。通過這種直接或間接(通過Atg11作為橋梁)的聯(lián)系方式將線粒體外膜上的Atg32和隔離膜上的結(jié)合蛋白Atg8結(jié)合,吸引線粒體向自噬小體中移動。雖然在過氧化條件下,Atg32的表達增加提示我們,它可能參與到了線粒體的質(zhì)量控制中。然而在敲除Atg32的酵母細胞中,沒有觀察到線粒體的缺陷。細胞是如何通過Atg32的表達和激活來清除過量的線粒體,仍將是未來研究的一個熱點。

2 紅細胞中的線粒體自噬

清除健康的線粒體在某些細胞生長分化過程中也是很關(guān)鍵的。在絕大多數(shù)哺乳動物的成熟紅細胞中都缺少線粒體。在紅細胞由不成熟到成熟的分化過程中,是如何進行線粒體自噬的。我們認為這是從網(wǎng)織紅細胞開始的。在線粒體外膜上存在一種蛋白,NIX(BNIP3L)可能參與了這一過程。因為,在紅細胞分化階段的末期,NIX的表達大量增加,而被敲除了NIX的小鼠,其成熟的紅細胞內(nèi)仍有線粒體的存在。NIX最初被認為是一種BH3(一種與細胞凋亡有關(guān)的蛋白質(zhì)),因此,它可能通過釋放促凋亡信號來誘導(dǎo)線粒體的自噬。然而后續(xù)研究發(fā)現(xiàn),NIX不僅僅是一種BH3蛋白,而且在網(wǎng)織紅細胞中,NIX調(diào)節(jié)線粒體自噬的機制似乎也和凋亡機制沒有聯(lián)系。因為它不需要促凋亡前體細胞BCL-2中的家族蛋白BAX或BAK的輔助。

NIX定位于線粒體外膜上,含有一個暴露于胞漿中的WXXL/L結(jié)合序列。NIX可以通過這個序列與哺乳動物細胞中的Atg8同系物L(fēng)C3以及LC3的同源物質(zhì)——GABARAP結(jié)合。這種結(jié)合能夠直接將線粒體導(dǎo)入到隔離膜內(nèi)。與這個結(jié)論相一致的是,線粒體自噬在NIX缺失的網(wǎng)織紅細胞中恢復(fù)表達,不含WXXL/L基因序列的NIX蛋白不能進行線粒體的清除。

3 線粒體自噬與疾病

最近的研究把線粒體自噬和帕金森氏病聯(lián)系起來。在常染色體隱形遺傳病帕金森氏病患者中,有兩個基因發(fā)生突變,即PINK1和E3泛素連接酶parkin。下面我們將描述在哺乳動物細胞中,由PINK1和parkin介導(dǎo)的信號通路所引起的線粒體自噬。

3.1 parkin向受損線粒體移動

Parkin是一種E3泛素連接酶,它的調(diào)節(jié)異常會導(dǎo)致帕金森氏病和神經(jīng)元黑質(zhì)的丟失。Parkin在很多組織中呈現(xiàn)高表達,包括大腦、骨骼肌、心臟和肝臟組織。這提示其具有廣泛的生理學(xué)作用。有研究表明,當(dāng)線粒體融合被阻斷導(dǎo)致一部分線粒體受損而失去膜電位,parkin會移動到受損的線粒體上,卻不會在健康的線粒體上積聚[2]。此外,在用線粒體解偶聯(lián)劑培養(yǎng)達到1天的細胞中,parkin可以通過介導(dǎo)細胞的線粒體自噬來有選擇性的清除細胞內(nèi)的線粒體?；趐arkin這種向損傷線粒體選擇性積聚,誘導(dǎo)細胞通過線粒體自噬來清除受損的線粒體,有人提出利用parkin介導(dǎo)線粒體質(zhì)量控制的途徑來維持線粒體數(shù)量的精確,并去除損傷的線粒體。

3.2 parkin的聚集需要PINK1

Parkin轉(zhuǎn)位到解偶聯(lián)的線粒體并誘導(dǎo)線粒體自噬的過程中需要被激活的PINK1。研究發(fā)現(xiàn),由于異常表達或?qū)嶒炓鸬腜INK1在線粒體內(nèi)的積聚增多能夠引起parkin向未被解偶聯(lián)的線粒體積聚,從而引起線粒體自噬。PINK1可能表達并轉(zhuǎn)運到所有的線粒體上,當(dāng)PINK1到達健康的線粒體時,會被蛋白質(zhì)水解酶快速分解,并使其濃度維持在一個很低的水平上。當(dāng)一部分線粒體受損時,PINK1蛋白質(zhì)水解酶的活性受到抑制,導(dǎo)致PINK1在受損的線粒體膜上大量堆積,繼發(fā)性的引起parkin向線粒體的積聚,從而介導(dǎo)線粒體自噬的發(fā)生。然而在哺乳動物細胞中,PIKN1如何被分解和抑制的機制還不清楚。此外,雖然有報到稱PINK1可以結(jié)合并磷酸化parkin,但是PINK1如何募集parkin到線粒體上的分子機制也不明確。這些都仍需我們對其進行更深一步的研究。

3.3 Parkin誘導(dǎo)的線粒體自噬

線粒體自噬是通過parkin誘導(dǎo)的,通過parkin募集誘導(dǎo)的線粒體自噬被認為與線粒體基質(zhì)的parkin泛素化調(diào)節(jié)有關(guān)。研究表明,泛素連接受體P62能使兩個泛素蛋白通過聚合與其他的P62分子結(jié)合,并募集泛素化物質(zhì),進入自噬小體與LC3連接,通過parkin的泛素化調(diào)節(jié),積聚在線粒體上[3]。雖然將P62綁定在parkin泛素化的線粒體基質(zhì)中,并調(diào)節(jié)線粒體的積聚過程很明顯,但仍有不同的研究結(jié)果顯示,P62對于parkin促進線粒體自噬的過程并不是必需的。組蛋白脫乙酰酶HDAC6常與泛素化底物綁定,通過parkin的轉(zhuǎn)移積聚到線粒體上,并誘導(dǎo)parkin調(diào)節(jié)性線粒體自噬。這表明了線粒體運輸和線粒體自噬之間可能存在聯(lián)系。

4 線粒體自噬與運動

近年來,已有少數(shù)關(guān)于運動對線粒體自噬相關(guān)基因表達影響方面的研究。Salmine[4]等的研究發(fā)現(xiàn),小鼠在運動后2～7天內(nèi),其細胞的自噬活性達到峰值,自噬小泡中存在不同降解階段的線粒體,這提示我們,運動后機體可以通過自噬途徑降解受損的線粒體,以調(diào)控體內(nèi)的線粒體質(zhì)量水平。還有研究指出,耐力訓(xùn)練可以促使小鼠NIX、PINK1、PINK2等線粒體自噬相關(guān)基因的mRNA表達上調(diào),這提示我們耐力訓(xùn)練對線粒體的自噬水平起到了重要的調(diào)控作用。也有研究表明,耐力運動對衰老大鼠的骨骼肌線粒體自噬沒有產(chǎn)生積極的影響。因此關(guān)于運動對骨骼肌線粒體自噬影響的分子機制還需要進行更加深入和細致的研究。

5 結(jié)語

線粒體自噬途徑復(fù)雜,迄今為止對線粒體自噬水平的運動干預(yù)研究還很有限,關(guān)于運動對線粒體自噬途徑的分子機制研究還有待進一步的深入。尤其關(guān)于運動是通過哪些途徑,依賴何種機制對線粒體的自噬水平進行調(diào)控、如何刺激線粒體自噬相關(guān)基因上下游信號分子的生物發(fā)生以及其與細胞內(nèi)降解系統(tǒng)之間如何產(chǎn)生相互聯(lián)系等都還需要進行進一步的研究。

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[3]Pankiv,S.p62/SQSTM1 binds directly to Atg8/LC3 to facilitate degradation of ubiquitinated protein aggregates by autophagy[J].J.Biol.Chem,2007:24131-24145.

[4]Salminen A,Kaarniranta K,Kauppinen A.Crosstalk between Oxidative Stress and SIRT1:Impact on the Aging Process[J].Int J Mol Sci,2013,14(2):3834-3859.