线粒体自噬分子机制的研究进展_王建东

线粒体是细胞内物质能量代谢的主要场所，其生成的ATP 是细胞生命活动的主要能量来源。

线粒体受损能够导致活性氧（reactive oxygen speeies ，ROS ）或者细胞凋亡因子的释放，可以造成细胞的损伤或者促使细胞凋亡［1-3］。

因此，及时清除这些受损伤的线粒体，维持线粒体的正常功能与数量对细胞生命活动是至关重要的。

近年来，人们逐渐认识到自噬溶酶体途径在调控细胞内受损线粒体的降解、维持线粒体的代谢稳定方面发挥了重要作用［4］。

自噬（autophagy ）是一种依赖溶酶体（lysosome ，在酵母细胞中也称为液泡Vacuole ）的胞内物质降解过程，目前发现其降解对象囊括了从可溶蛋白到完整细胞器在内的所有胞内物质，其中也包括线粒体。

传统线粒体自噬可以分为大自噬（macroautophagy ）、小自噬（microautophagy ）和Cvt （cytosol -to -vacuole transport ）途径3种方式。

大自噬通过形成具有双层膜结构的自噬体（autophagosome ）包裹线粒体，再与溶酶体融合生成自噬溶酶体使线粒体降解；小自噬通过溶酶体或液泡对线粒体的直接吞噬作用使线粒体降解；Cvt 途径只存在于酵母中，在哺乳动物细胞内还未发现这一自噬方式。

最近的研究表明，不同的线粒体自噬途径，参与了不同种系、不同组织细胞内的线粒体降解过程，并且在神经退行性疾病、心脏病、糖尿病和肿瘤等许多重大疾病的发生发展过程中具有重要的调控作用［5-7］。

本文就近年来关于线粒体自噬的分子机制研究进展作一综述。

1酵母细胞内的线粒体自噬酵母是最早应用于自噬研究的模式细胞，人们以酵母的自噬系统为标准命名了一系列自噬相关基因蛋白（autophagy -related genes ，Atg ）。

酵母也是目前自噬研究最为深入的模式细胞之一，目前已经基本阐明了酵母细胞中过氧化物酶体、细胞核、内质网等重要细胞器自噬的分子机制。

但是关于线粒体自噬的分子机制还不甚明了，一些研究表明在酵母细胞内可能存在小自噬、Cvt 途径和大自噬3种线粒体自噬方式，但是酵母细胞具体采用何种自噬方式受细胞种系、细胞培养环境、自噬诱导因素等的调控。

1.1线粒体小自噬途径酵母在缺乏氮元素的培养基中培养或者线粒体ATP 金属蛋白酶Yme1的缺失，能够诱导线粒体经小自噬途径降解［8-9］。

根据线粒体自噬时是否同时伴有细胞中其他成分（如胞浆）的自噬，线粒体小自噬还可以分为选择性或非选择性两种方式。

在分子作用机制上，这两种自噬过程几乎都涉及了整套Atg 蛋白的参与，包括Cvt 途径特异蛋白Atg11，以及大自噬途径特异蛋白Atg17和Atg29，但是缺乏Cvt 途径中的氨基肽酶前体（pApeI ）的受体Atg19。

同时人们还发现，线粒体外膜蛋白Uth1能够特异调控线粒体选择性小自噬途径，而对非选择性小自噬途径没有影响。

另外，线粒体蛋白磷酸酶同系物Aup1也在线粒体自噬过程中发挥了重要作用［10］。

1.2线粒体Cvt 自噬途径2009年，Okamot 等和Kanki 等［11-12］几乎同时发现在酵母细胞内还存在线粒体经Cvt途径的自噬方式，这一自噬作用与线粒体膜表面蛋白Atg32有关。

Atg32是一种新发现的Atg 蛋白，其羧基末端的TM 结构域负责与线粒体膜相连。

Atg32可以作为线粒体的受体直接与Atg11连接，将线粒体定位于自噬组装位点（phagophone assembly site ，PAS ），同时其LIR 结构域可以与Atg8家族蛋白连接，启动自噬体的形成，从而诱导线粒体经Cvt 自噬途径降解。

Atg32在线粒体自噬中的作用与Cvt 途径中的pApeI受体Atg19相类似，并且其介导的线粒体降解途径也属于选择性自噬途径。

1.3线粒体大自噬途径人们对于酵母细胞中大自噬的分子机制已经有了非常深入的研究，但是对线粒体大自噬的作用机制却还不清楚。

一些研究表明酵母在缺乏碳元素的培养基中培养或者饥饿诱导时都能够引起细胞内大自噬的发生［13］，但是这些类型的大自噬与线粒体大自噬是否存在同样的分子机制，线粒体大自噬是否还需要特异蛋白因子的参与，这些都还有待阐明。

因此，关于线粒体大自噬途径的诱导因素和具体分子机制，还需要进一步的研究。

2哺乳动物细胞内的线粒体自噬由于线粒体功能异常与神经退行性疾病、心脏病、糖尿病和肿瘤等多种重大疾病的发生密切相关，因此，人们对于线粒体自噬在这些疾病发生发展过程中的作用及分子机制的研究给予了很高的重视，并且在过去的数年时间内取得了显著进展。

2.1线粒体大自噬途径在哺乳动物细胞内，目前已经发现了多种线粒体大自噬途径，如与帕金森病发生密切相关的Parkin 介导线粒体大自噬途径，与网织红细胞发育相关的Nix 介导线粒体大自噬途径等。

因此，人们已经认识到在不同组织细胞、不同生理过程中可能存在不同的自噬途径来调控线粒体的降解过程。

2.1.1PINK1/Parkin 介导的线粒体大自噬途径2010年，Geisler 等［14］的一篇报道完整揭示了PINK1/Parkin 介导的线粒体大自噬途径在帕金森病发生中的作用及其分子机制。

Parkin 是一种E3泛素蛋白连接酶，可由PINK1激酶活化，活化的Parkin 能够使受损线粒体的阴离子电位通道蛋白VDAC1泛素化，并被信号接头蛋白p62/SQSTM1识别，后者再与吞噬膜（phagophore ）表面的Atg8家族同源蛋白（如LC3A -C 、GATE -16等）连接进而启动线粒体的降解过程。

这一发现不仅成功解释了doi ：10．3969／j．issn．1006-5725.2011.17.064基金项目：四川省教育厅青年基金项目（编号：10ZB096）；四川省财政育种工程2009年度优秀论文基金项目（编号：2009YXLWJJ -009）作者单位：610083成都医学院线粒体自噬分子机制的研究进展王建东张红刘湧PINK1/Parkin基因突变与家族遗传性帕金森病之间的关系，同时也证明了线粒体大自噬障碍在帕金森病发生发展中的重要作用。

2.1.2Nix介导的线粒体大自噬途径网织红细胞发育为成熟红细胞时，其细胞内的线粒体会通过自噬途径完全降解。

对这一发育过程的研究发现，网织红细胞内线粒体的降解受到Nix 介导的线粒体大自噬途径的调控［15］。

Nix即BCL2连接蛋白（BNIP3L），是一种线粒体膜表面结合蛋白，Nix蛋白可以直接与吞噬膜表面的Atg8家族同源蛋白连接，从而诱导线粒体经大自噬途径降解。

但是进一步的研究发现，当大自噬相关基因Atg7敲除时，只能部分阻断Nix介导的线粒体自噬，表明Nix可能还具有调控线粒体经非大自噬途径降解的作用［16］。

同时，Novak等［15］认为在哺乳动物细胞内，N ix蛋白可能具有与Atg32相似的功能。

因为两者之间存在着相似的结构域和细胞功能，比如都存在羧基末端的TM结构域负责与线粒体膜相连，都存在LIR结构域可以与Atg8家族蛋白连接。

因此，对于Nix在介导线粒体自噬方面的作用还有待深入研究。

另外，在哺乳动物细胞内，Nix蛋白（BNIP3L）还存在同源蛋白BNIP3，两者在结构和功能上均极为相似，并且在诸如低氧诱导的自噬中都显示了相似的功能［17］，人们推测BNIP3在线粒体的降解调控机制中具有与Nix蛋白相似的作用。

而目前人们对Nix同源蛋白BNIP3在线粒体自噬方面的研究还是一片空白。

2.2其他自噬途径当特异性敲除小鼠细胞内大自噬相关蛋白Ulk1、Atg5或Atg7等基因，从而抑制大自噬信号通路后，细胞内线粒体的降解过程却并没有被完全阻断，而是表现出经液泡直接吞噬降解的现象［18］，因此人们推测细胞内线粒体还存在其他非经典大自噬降解途径。

2011年，Kitamura和Miyamotol等［19-20］研究发现，一种新型蛋白Mieap介导的液泡样自噬结构（mieap-induced vacuole，MIV）可能与这种非经典线粒体大自噬途径有关。

有趣的是，他们还发现Nix与Mieap在一种新发现的线粒体内部蛋白自噬途径中发挥了重要调控作用（mieap-induced accumulation of lysosome-like organelles within mitochondria，MALM）。

MALM一般发生于MIV之前，当MALM受阻或者不能修复线粒体损伤时，便会启动MIV途径降解受损线粒体。

Mieap在这两种自噬系统中均发挥了关键的调控作用，并且受到肿瘤抑制因子P53和线粒体释放的活性氧（ROS）的调节。

因此，这一新发现的线粒体自噬系统也揭示了线粒体自噬在肿瘤发生中的重要调控作用。

3总结与展望线粒体自噬是当前细胞生物学领域发展势头最快的研究方向之一，随着近年来人们在这一领域所取得的突破性进展，不断有新的线粒体自噬途径被发现，如Mieap介导的自噬系统，而不断涌现的新发现又给线粒体自噬的研究提出了新的问题和挑战。

可以预见，随着人们对于线粒体自噬分子机制的进一步深入研究，将极大增进人们对于神经退行性疾病、心脏病、糖尿病和肿瘤等多种重大疾病分子机制的了解，并且在提高临床诊治水平和推动高效合理的药物研发方面发挥重要的作用。

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