线粒体结构

线粒体（mitochondrion）是除了溶组织内阿米巴、篮氏贾第鞭毛虫以及几种微孢子虫外，大多数真核细胞的“能量工厂”，是一种拥有自身的遗传物质和遗传体系的半自主细胞器。不同细胞中线粒体形态及数量都有所不同，这主要取决于细胞的代谢水平。

图1. 线粒体超微结构图

线粒体由外至内可划分为线粒体外膜（OMM）、线粒体膜间隙、线粒体内膜（IMM）和线粒体基质四个功能区。其中，线粒体外膜较光滑，主要参与诸如脂肪酸链延伸、肾上腺素氧化以及色氨酸生物降解等生化反应，同时初步分解线粒体基质中需要彻底氧化的物质。线粒体外膜与内质网膜通过某些蛋白质相连，形成线粒体结合内质网膜，该结构在脂质的相互交换和线粒体与内质网间的钙离子信号传导等过程中都有重要作用。线粒体内膜则向内皱褶形成线粒体嵴，使得内膜表面积大大增加，负担更多的更为复杂生化反应，主要包括以下生理过程：特异性载体运输磷酸、谷氨酸、鸟氨酸、各种离子及核苷酸等代谢产物和中间产物；内膜转运酶运输蛋白质；参与氧化磷酸化中的氧化还原反应；参与腺苷三磷酸(ATP)的合成；控制线粒体的分裂与融合。线粒体的内外膜将线粒体分出两个区室，位于两层线粒体膜之间的是线粒体膜间隙，被线粒体内膜包裹的是线粒体基质。

线粒体功能

线粒体主要执行与细胞代谢和均质稳定有关的许多功能。通过内膜上的氧化磷酸化产生能量是线粒体的标志，糖酵解和三羧酸循环放出的能量多数储存在还原辅酶中，还原辅酶需要逐步地把电子传递给氧，从而释放能量。这一系列由电子载体构成的，从还原型烟酰胺腺嘌呤二核甘酸（NADH）向氧传递电子的系统就叫做电子传递链（ETC)。辅酶运载的氢以质子形式脱下，电子则沿呼吸链转移到分子氧，形成离子型氧，再与质子结合生成水。放出的能量则使ADP和磷酸生成ATP。ETC和ATP形成的偶联机制称为氧化磷酸化。线粒体在钙稳态，caspase依赖性细胞凋亡启动，细胞应激反应，血红素生物合成，硫代谢和胞质蛋白降解中也起着重要的作用。

图2. 线粒体中的电子传递链景观

一个受精卵内约有100，000个线粒体，伴随不停的分裂分化，最终人体内有万亿的细胞，每个细胞的线粒体都来自那个受精卵，新的线粒体只能从旧的线粒体生发，绝对不可能从头生成。线粒体平均寿命仅仅为28天，所以线粒体新旧交替就是必然规律。作为组织内稳态必不可少的能量发生器和程序性凋亡和坏死细胞死亡的通道，其核心功能使得线粒体的质量和数量需受到严格控制。

疾病中的线粒体质量控制体系

一、线粒体生物发生

新生的线粒体运转几天后，因为其功能不同程度下降，两个甚至多个线粒体发生融合，共享线粒体DNA、ETC等内部零件，维持线粒体正常运转的同时极大的节省了资源；又过了几天，这种相对庞大的线粒体功能又出现故障，线粒体开始分裂，去掉废弃线粒体后，还能继续用的线粒体继续融合，而废弃线粒体通过自噬途径分解成氨基酸等重新回收利用。线粒体分裂，融合与自噬都是为了让线粒体更好的执行它的任务：线粒体生物发生。

过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子1α（PGC-1α）是核激素受体过氧化物酶体增殖物激活受体γ（PPARγ）的转录共激活因子，广泛参与线粒体生物合成等多条代谢途径。在小鼠体内同时激活过氧化物酶体增殖物激活受体α（PPARα）和PPARγ的研究显示，由于这两种转录因子之间的竞争，会引起PGC-1α活性降低和线粒体数量减少。

许多研究报道PGC-1α参与了肿瘤发育的调节，其机制可能是PGC-1α改变了细胞的转录程序和代谢表型[1]。在ER+乳腺癌中，17-β雌二醇（E2）上调了线粒体生物发生和氧化磷酸化相关转录因子p53及PGC1-α的含量，糖酵解途径相关转录因子缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）和c-MYC的含量[2]。肌肉调节因子1（PERM1）是由PGC-1/ERR通路诱导的肌肉特异性蛋白。人类黑色素瘤中PGC-1β的低表达降低了HSPA9的表达，导致线粒体活性损害及细胞周期停滞，更为重要的是，PGC-1β的低表达与免疫抑制转录物：CD73，PD-L2及Galectin-9和促炎转录物：IL-8、TNF及IL-1β的表达增加有关。以上结果提示线粒体生物发生调节剂可以通过免疫途径的转录控制来调节肿瘤进展、免疫逃避和对治疗的反应。Perm1敲除小鼠RNA测序和无偏分析表明，Perm1下调导致心脏脂肪酸和碳水化合物代谢相关基因的下调。PERM1与参与脂肪酸氧化的基因内源性启动子中PPAR反应元件（PPREs）的近端区域相互作用，以PPARα和PGC-1α依赖的方式促进PPRE转录[3]。SIRT3的表达受PGC-1α的正调节。沉默SIRT3部分逆转了PGC-1α对糖酵解代谢的负面影响。探讨PGC-1α/SIRT3在乳腺癌细胞增殖和线粒体能量代谢改变中作用的研究表明：PGC-1α/SIRT3通过改变糖酵解调节乳腺癌细胞增殖和凋亡，这可能为乳腺癌提供新的治疗策略[4]。

近年研究还发现，PGC-1α不仅参与调节适应性产热和线粒体生物合成，在诱导细胞凋亡[5]、炎症反应、脂代谢、糖代谢及肿瘤代谢[5]中同样发挥着不可忽视的作用。

图3. 线粒体质量控制体系：线粒体通过生物发生、动力学和自噬的协调来确保线粒体稳态

二、线粒体动力学

线粒体动力学是指线粒体处在融合(fusion)与裂解(fission)的动态平衡中，线粒体的这种动态变化，可表现为形态上的异质性，在胞质中可呈点状、碎片状、条状或线状等不同形态。细胞环境的变化，尤其是病理状态下细胞环境的改变，可以触发线粒体融合或裂解相关蛋白功能或活性的改变，而融合与裂解相关蛋白的改变直接影响线粒体融合和裂解的过程，即线粒体动力学的变化。线粒体裂解主要由动力相关蛋白1（DRP1）、线粒体分裂蛋白1（Fis1）和线粒体分裂因子（MFF）介导，而融合过程分为OMM的融合与IMM的融合，分别由线粒体融合蛋白（MFN）和视神经萎缩蛋白1（OPA1）介导。Mfn1/Mfn2基因敲除小鼠心肌内线粒体功能缺陷并大量累计[6]。上调MFN2可以促进成纤维细胞中线粒体的融合，抑制线粒体裂解，缓解线粒体自噬过度[7]。在血管紧张素Ⅱ诱导的心肌细胞损伤模型中MFN2也表现出促进线粒体融合作用[8]。衰老心肌细胞内OAPA1的过乙酰化会导致线粒体嵴的异常排列，细胞色素c向胞质转，最终导致心力衰竭[9]。DRP1缺乏可导致心肌细胞的肥大及坏死，Drp1基因敲除小鼠心肌中线粒体体积增大，氧化应激水平增加，导致扩张型心肌病[10]。Mff基因突变小鼠表现出心肌肥大及心力衰竭，而Mff基因的过表达会造成线粒体功能和结构紊乱，引发线粒体凋亡[11]。

在不同肿瘤患者中也发现了线粒体动力学的不平衡，具有裂解过程的增强和/或融合过程的减弱，导致线粒体形态上的碎片化。在肝癌、乳腺癌、肺癌等多种肿瘤中均发现了裂解相关蛋白表达升高，而融合相关蛋白表达降低，提示在肿瘤中线粒体动力学状态的改变[12]。而且线粒体动力学相关蛋白与患者的预后及生存时间相关。

线粒体动力学与线粒体的功能有密切联系，如细胞增殖、细胞代谢、细胞迁移等，并受多种化学酶及蛋白质的调控。病毒感染会诱导线粒体网络的显著延长,从而影响免疫信号。MFN1过表达或FIS和DRP1缺失介导的线粒体延长可以增强抗病毒信号，而MFN1或OPA1的沉默能够减少NF-κB和IRF3的激活。MFN1缺失时，RIG-I信号通路受损，而MFN1和MFN2缺失会导致感染病毒MEFs中IFN-β和IL-6的生成缺失。此外，线粒体动力学状态的改变可影响肿瘤的发生、发展及转移，作为”能量工厂”的线粒体对免疫背景下的细胞迁移极为重要，在侵袭性乳腺癌和恶性嗜酸细胞甲状腺肿瘤中能够观察到DRP1水平升高。对上皮细胞和乳腺癌细胞的研究表明，与淋巴细胞的情况类似，通过过表达Opa1或沉默Drp1增加线粒体延长可抑制其运动性和迁移。

近期研究还发现，棕色脂肪组织（BAT）中的Opa1敲除通过诱导成纤维细胞生长因子21（FGF21）的表达和分泌来刺激白色脂肪组织（WAT）棕色化[13]。在人体中，WAT储存能量，而BAT通过UCP1（解偶联蛋白1）介导的产热作用将能量转换成热量。脂肪组织功能障碍与代谢性疾病有关，如2型糖尿病（T2DM）、心血管疾病和某些癌症等。由于人体的BAT很少，白色脂肪的“棕色化”则是一种很有前途的对抗肥胖和代谢紊乱的策略。近期Bean C等的研究表明线粒体嵴形状和融合蛋白OPA1通过影响尿素循环和Jumanji家族组蛋白去甲基化酶Kdm3a使WAT发生自主棕色化[14]。

三、线粒体自噬

在营养消耗过程中，自噬会发生以降解不必要的或功能失调的细胞组件，产生氨基酸，并调动脂质储备。线粒体的延长和嵴的重塑在这一过程中起着重要作用。目前，介导线粒体自噬的经典通路包括：1．PINK1-Parkin通路。在压力条件下，PINK1稳定在OMM上，促进了Parkin的招募。Parkin泛素化几种外膜成分。多聚泛素链随后被PINK1磷酸化，作为自噬机制的“吃我”信号。适配器蛋白(p62，OPTN，NDP52)识别线粒体蛋白上的磷酸化的多聚泛素链，并通过与LC3结合，启动自噬体形成。TBK1磷酸化OPTN，从而增强其与泛素链的结合亲和力。OPTN-TBK1复合物建立了促进线粒体清除的前馈机制。Gp78，SMURF1，MUL1，SIAH1和ARIH1代表了E3泛素连接酶靶向OMM蛋白在成核吞噬之前。PINK1-Parkin通路通过靶向MFN和Miro进行蛋白酶体降解来调节线粒体动力学和运动。2.受体介导。BNIP3、NIX和FUNDC1核分裂吞噬受体定位于OMM，与LC3直接相互作用，介导线粒体清除。在线粒体损伤后，PHB2和cardiolipin外化到OMM并与LC3相互作用。不同的受体保证了不同组织和不同刺激的特异性。NIX和BNIP3磷酸化增强了它们与LC3的联系。CK2、Sc激酶和PGAM5磷酸酶均影响FUNDC1磷酸化状态，调节缺氧时线粒体动力学。

图4. 线粒体自噬通路图

新的证据表明，转录因子MondoA是细胞衰老、自噬和线粒体稳态的调节因子。MondoA通过激活自噬，部分通过抑制自噬负调节因子Rubicon来保护细胞衰老。此外，过氧化物酶体蛋白3（Prdx3）是MondoA的另一个独立于Rubicon的下游调节因子，对线粒体稳态和自噬至关重要。MondoA敲除小鼠在缺血性急性肾损伤（AKI）期间加剧了衰老，并且细胞核中MondoA的减少与人类衰老和缺血性AKI相关。以上结果表明，MondoA的下降会恶化衰老和与年龄相关的疾病[15]。

在肿瘤的发生发展中，线粒体自噬通过抑制功能失调的线粒体积累、细胞氧化应激、基因组不稳定和炎症来防止肝细胞肿瘤的发生[16]。在癌症小鼠模型中，敲除自噬必需基因产生自噬缺陷，导致缺陷线粒体和其他自噬底物的积累，损害线粒体呼吸、细胞生长和生存，同时增加细胞死亡和衰老。对已确诊为RAS驱动型肺癌的小鼠进行系统性的急性自噬消融，在对大多数正常组织产生显著损伤之前，会产生大量的肿瘤消退，这表明一些肿瘤特别依赖自噬。重要的是，与自噬完整产生的癌相比，自噬缺失肿瘤类似于良性的嗜酸细胞瘤，这是一种以缺陷线粒体积累为特征的肿瘤。因此，自噬是肿瘤从良性向恶性发展的必要条件。

线粒体参与的疾病

图5. 肿瘤的warburg效应

线粒体功能失调对人类的健康影响大且广，线粒体功能障碍主要表现在线粒体形态结构的改变、ATP合成减少、活性氧物种的过度产生、动力学失衡和mtDNA损伤。其功能失调与人体各个系统的疾病如神经系统疾病、心血管系统疾病、肝脏疾病、肾脏疾病、糖尿病以及DNA损伤反应相关癌症的发生与发展联系紧密。癌细胞虽然不需要线粒体提供的能量就能存活，但癌细胞没有线粒体就不能生成新的DNA链，增殖形成肿瘤，因此，线粒体在肿瘤形成过程中发挥关键作用。这就意味着，剥夺癌细胞的线粒体可以抑制肿瘤形成，为癌症治疗提供了新的思路及见解。

如果对线粒体方向感兴趣的话，附推给大家准备了线粒体质量控制相关研究思路，赶紧学习起来吧~线粒体经典思路与个性化可联系生信人团队咨询

更多国自然热点思路：