线粒体分裂、融合与细胞凋亡
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
线粒体外膜融合的关键分子是 Ｆｚｏ 家族蛋白， 该家族蛋白是大分子量的 ＧＴＰａｓｅ，从酵母、果蝇 到哺乳动物均存在，且相当保守。Ｆｚｏ 蛋白最早在 果蝇中发现 ， ［１６］ 后来又在酵母中发现其同源蛋白 Ｆｚｏ１ｐ［１７，１８］，在哺乳动物中存在两种 Ｆｚｏ 同源物，分 别为 Ｍｆｎ１ 和 Ｍｆｎ２ （ｍｉｔｏｆｕｓｉｎ １／ｍｉｔｏｆｕｓｉｎ ２） 。 ［１９］ 所 有 Ｆｚｏ 家 族 蛋 白 均 有 类 似 的 结 构 ， 包 括 一 个
关键词： 线粒体； 分裂； 融合； 细胞凋亡 中图分类号： Ｑ２
０引 言
线粒体是真核细胞的一种重要的细胞器，在细 胞代谢和生理过程中发挥着重要的作用。一方面它 们是细胞的能量工厂，其通过氧化磷酸化产生能 量，为大量重要的代谢反应供能；另一方面，它们 也是细胞内信号传导中心。线粒体通过影响细胞内 钙信号和活性氧产生，与细胞核进行信号交流，调 控细胞生长活动。更重要的是，在细胞凋亡过程 中，线粒体释放促凋亡因子，对细胞内凋亡信号进 行整合和放大。线粒体在细胞生长、凋亡和衰老等 生理、病理过程中扮演着重要的角色［１］。近年来， 随着荧光成像技术和三维成像技术的发展，人们对 线粒体形态的认识也发生了很大的改变。线粒体在 大多数细胞类型中形成一个网状组织 （ｍｉｔｏｃｈｏｎ－ ｄｒｉａｌ ｒｅｔｉｃｕｌｕｍ）［２］。线粒体网状组织是一个高度动 态的结构，该结构通过持续的、相互对立的融合和 分裂事件的平衡来维持［３，４］。越来越多的证据证明线 粒体形态的动态变化 （ｄｙｎａｍｉｃｓ）对细胞功能的多 种方面具有非常重要的意义。
母线粒体分裂的调控。
２ 线粒体融合的分子机制
最早关于线粒体能够融合的证据来自于酵母， Ｃｌａｒｋ－Ｗａｌｋｅｒ 等人 发 ［１５］ 现两种具有不同 ｍｔＤＮＡ 缺 陷的、有氧呼吸障碍的酵母在交配 （ｍａｔｉｎｇ）后可 以重新获得有氧呼吸能力，提示线粒体发生了融 合，ｍｔＤＮＡ 进行了互补。但融合的分子机制一直 到近年来才逐步有所了解，线粒体融合是由其内外 膜上的几种保守的蛋白质介导的。
粒体膜上的分布不像 Ｄｎｍ１ｐ 位于内陷点上，而是 均匀分布于整个线粒体［１０］。Ｆｉｓ１ｐ 的跨膜区对其功 能非常重要，一旦缺失，其定位即变为整个胞浆， 并丧失促进线粒体分裂的功能 。 ［１０］ 通过 Ｘ 光晶体 衍射和 ＮＭＲ 光谱对人的 Ｆｉｓ１ 蛋白进行分析显示， 蛋白的胞浆区由一个羧基端的臂和 ６ 个反平行的 α 螺 旋 组 成 。 ［１３］ 这 ６ 个 α螺 旋 形 成 ＴＰＲ （ｔｅｔｒａｔｒｉ－ ｃｏｐｅｐｔｉｄｅ ｒｅｐｅａｔ， ＴＰＲ）样折叠，从而形成一个疏 水的凹陷，类似一个口袋，以利于其它蛋白的结合 （见图 １）。
生物物理学报 第二十三卷 第四期 二!!七年八月 ＡＣＴＡ ＢＩＯＰＨＹＳＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ Ｖｏｌ．２３ Ｎｏ．４ Ａｕｇ． ２００７
线粒体分裂、融合与细胞凋亡
蒋春笋 １，２， 肖伟明 １，３， 陈 佺 １
（１． 中国科学院动物研究所，北京 １００１０１；２． 江汉大学医学与生命科学学院，武汉 ４３００５０； ３． 北京大学生命科学院，北京 １００８７１）
在对酵母 ｆｚｏ１ｐ 抑制子的遗传筛选实验中，发 现了 Ｆｉｓ１ｐ 基因 （又叫 Ｍｄｖ２）［１０，１１］，该基因在果蝇 和 哺 乳 动 物 细 胞 中 都 有 高 度 同 源 的 类 似 物 。 ［１２］ Ｆｉｓ１／Ｆｉｓ１ｐ 是个相对较小的膜蛋白，羧基端跨过线 粒体外膜，氨基端的大部分蛋白面向胞浆，其在线
Ｍｄｖ１ｐ 和 Ｃａｆ４ｐ 结构非常类似，均只存在于 酵母中，在它们的氨基端包含一个 Ｎ 末端延伸结 构域 （Ｎ－ｔｅｒｍｉｎａｌ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ，ＮＴＥ），而在羧基端 有 ７ 个 ＷＤ４０ 重复区和一个 ｃｏｉｌｅｄ－ｃｏｉｌ 区。Ｍｄｖ１ｐ 的 ｃｏｉｌｅｄ－ｃｏｉｌ 区和 ＷＤ４０ 区可能是蛋白相互作用的 关键所在，酵母双杂交实验发现，ｃｏｉｌｅｄ－ｃｏｉｌ 区可 以和全长的 Ｍｄｖ１ｐ 蛋白相互作用，提示 Ｍｄｖ１ｐ 可 能 可 以 形 成 同 源 多 聚 体 。 ［１４］ Ｍｄｖ１ｐ 可 以 通 过 Ｄｎｍ１ｐ 依 赖 的 方 式 定 位 于 线 粒 体 表 面 的 内 陷 （ｐｕｎｃｔａ）处，如果没有 Ｄｎｍ１ｐ，Ｍｄｖ１ｐ 就以 Ｆｉｓ１ｐ 依赖的方式均匀地分散在线粒体［１１］。免疫共沉淀和 酵母双杂交实验均证实 Ｃａｆ４ｐ 与 Ｆｉｓ１ｐ 和 Ｄｎｍ１ｐ 存在相互作用，提示其可能在线粒体分裂中起作 用。尽管 Ｃａｆ４ｐ 基因缺失的酵母中并未见明显的线 粒体形态变化，但将 Ｃａｆ４ｐ 转入 ｍｄｖ１Δ的酵母株 中 可 以 部 分 恢 复 其 线 粒 体 形 态 ， 而 且 ｃａｆ４Δ和 ｍｄｖ１Δ双缺失能造成更严重的线粒体变化。这些 结果提示 Ｃａｆ４ｐ 可能和 Ｍｄｖ１ｐ 共同作用，参与酵
２５８
生物物理学报
２００７年
ＧＴＰａｓｅ 结构域、几个 ｃｏｉｌｅｄ－ｃｏｉｌ 结构域和一个跨 膜区 （见图 １）。蛋白的氨基端是 ＧＴＰａｓｅ，和其它 ＧＴＰａｓｅ 一样也有 ４ 个保守的区域—— —Ｇ１－Ｇ４，这 是结合和水解 ＧＴＰ 所必需的［２０］。这一区域相当保 守，其中的关键氨基酸一旦突变会使蛋白彻底丧失 功能。在 Ｆｚｏ 家族蛋白的羧基端有一个跨膜区，该 区域富含疏水氨基酸，并包含有线粒体定位序 列［１９］，通过蛋白酶保护实验证实该区域两次穿膜， 从而使 Ｆｚｏ 蛋白的 Ｎ 端与 Ｃ 端均位于胞浆中 ， ［１７，２１］ 这一结构类似于一个钩子挂在线粒体外膜上。Ｆｚｏ 蛋白含有多个 ｃｏｉｌｅｄ－ｃｏｉｌ 结构域，在酵母、果蝇 Ｆｚｏ 的 Ｎ 端均有，而哺乳动物则没有，而所有 Ｆｚｏ 蛋白在 Ｃ 端以及跨膜区前各有一个 ｃｏｉｌｅｄ－ｃｏｉｌ 结构 域。已有的研究显示，ｃｏｉｌｅｄ－ｃｏｉｌ 所形成的 α螺旋 区可能介导 Ｆｚｏ 蛋白之间的相互作用，或单个 Ｆｚｏ 蛋白内部、或 Ｆｚｏ１ 和不同的融合蛋白之间的相互 作用，而且 Ｃ 端的 α螺旋对于 Ｆｚｏ 家族蛋白在线 粒 体 上 的 定 位 至 关 重 要 。 ［２２］ Ｋｏｓｈｉｂａ 等 ［２３］ 则 发 现 Ｍｆｎ１／２ 的 Ｃ 端 α螺旋在线粒体聚集过程中起着重 要的作用，它们能形成同源 ／ 异源二聚体，从而使 两个线粒体相互靠近，进而融合。
１ 线粒体分裂的分子机制
近年来，参与线粒体分裂的一些蛋白逐步被鉴 定出来。参与线粒体外膜分裂的蛋白包ｐ， 前 两 个在多种生物中存在并比较保守，后两种蛋白目前 仅在酵母中发现。
Ｄｒｐ１／Ｄｎｍ１ｐ 蛋白是 Ｄｙｎａｍｉｎ 超家族的成员之 一，它的氨基酸序列与 Ｄｙｎａｍｉｎ 具有很高的同源 性 ， 有 多 个 保 守 结 构 域 ， 都 有 ＧＴＰａｓｅ 结 构 域 （Ｄｙｎａｍｉｎ ｄｏｍａｉｎ）、 中 间 区 （ｍｉｄｄｌｅ ｄｏｍａｉｎ， Ｄｙｎａｍｉｎ－２ ｄｏｍａｉｎ）和介导自组装的羧基末端的 ＧＴＰａｓｅ 效 应 结 构 域 （ＧＴＰａｓｅ ｅｆｆｅｃｔｏｒ ｄｏｍａｉｎ， ＧＥＤ）［５］ （见图 １）。 尽 管 Ｄｒｐ１ 的 脯 氨 酸 富 集 区 （ｐｒｏｌｉｎｅ－ｒｉｃｈ ｄｏｍａｉｎ， ＰＲＤ）与 Ｄｙｎａｍｉｎ 的 ＰＲＤ 都 具有与 Ｓｒｃ Ｈｏｍｏｌｏｇ ３ （ＳＨ３）结合的位点，但两 者不仅位置不同，序列也不相同，因此 Ｄｒｐ１ 可能 具 有 特 殊 的 与 Ｄｙｎａｍｉｎ 不 同 的 调 控 功 能 。 此 外 Ｄｒｐ１ 缺 少 Ｄｙｎａｍｉｎ 独 有 的 ｐｌｅｃｋｓｔｒｉｎ ｈｏｍｏｌｏｇｙ （ＰＨ）结构域，而此结构域具有膜定位的功能，说 明 Ｄｒｐ１ 可能需要其他的蛋白辅助定位至线粒体［６］。
白形式存在，一种分子量较大 （ｌ－Ｍｇｍ１ｐ），一种 分子量较小 （ｓ－Ｍｇｍ１ｐ），ｓ－Ｍｇｍ１ｐ 是由线粒体膜 间 隙 的 丝 氨 酸 蛋 白 酶 Ｒｂｄ１ｐ （ｒｈｏｍｂｏｉｄ） 切 割 ｌ－Ｍｇｍ１ｐ 形成的［３２，３３］。缺乏 Ｐｃｐ１ｐ 的酵母线粒体会 片段化，这一现象可以通过敲除分裂相关蛋白 Ｄｎｍ１ｐ 使线粒体恢复正常形态 。 ［３４］ 但 Ｐｃｐ１ｐ 缺失 并 不 抑 制 线 粒 体 的 融 合 ， 这 提 示 Ｐｃｐ１ｐ 和 ｓ－Ｍｇｍ１ｐ并不是线粒体融合所必需的，而可能是提 高融合的效率，或是参与维持线粒体的网状结 构 。 ［３４］ 将 人 的 Ｐｃｐ１ｐ 的 同 源 物 Ｐａｒｌ （ｐｒｅｓｅｎｉｌｉｎ－ ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ ｒｈｏｍｂｏｉｄ－ｌｉｋｅ）转入缺失该基因的酵母 中，可以重新产生 ｓ－Ｍｇｍ１ｐ，说明 Ｐｃｐ１ｐ 在进化 中 相 当 保 守 。 ［３３］ 近 期 的 研 究 发 现 在 人 的 同 源 物 ＯＰＡ１中也存在着这种切割，但是关于切割 ＯＰＡ１ 的酶目前有不同报道，Ｃｉｐｏｌａｔ 等［３５］通过对 Ｐａｒｌ－／－ 鼠的研究发现 Ｐａｒｌ 对于 ＯＰＡ１ 的切割和内膜的重 构起重要的作用，Ｉｓｈｉｈａｒａ 等［３５］则认为只有 Ｌ 型的 ＯＰＡ１ 在线粒体融合中起作用，而线粒体基质中的 ｍ－ＡＡＡ 蛋白酶 ｐａｒａｐｌｅｇｉｎ 可以切割 ｌ－ＯＰＡ１，从而 导致线粒体片段化。
线 粒 体 内 膜 的 融 合 是 由 Ｄｙｎａｍｉｎ 家 族 蛋 白 Ｍｇｍ１ｐ／ＯＰＡ１介导的。很早以前人们就已经发现， Ｍｇｍ１ｐ是出芽酵母维持线粒体基因组稳定［２４］和正常 的线粒体形态［２５］所必需的。Ｗｏｎｇ 等人［２６］建立了温 度敏感型 ｍｇｍ１ 突变体酵母株，发现当转换到抑制 Ｍｇｍ１ｐ 表达的温度下，线粒体迅速发生片段化， 而且在交配过程中，ｍｇｍ１ 突变体的线粒体融合被 阻断，说明 Ｍｇｍ１ｐ 是线粒体融合必需的。Ｍｇｍ１ｐ 在哺乳动物中的同源 物 是 ＯＰＡ１ （ｏｐｔｉｃ ａｔｒｏｐｈｙ， ＯＰＡ１） 。 ［２７，２８］ Ｍｇｍ１ｐ／ＯＰＡ１ 蛋白包括氨基端 的 线 粒体信号肽，两个疏水区，一个 ＧＴＰａｓｅ 结构域， 一个中间区和羧基末端的 ＧＥＤ 结构域 （见图 １）。 对 Ｍｇｍ１ｐ 的 ＧＴＰａｓｅ 酶结构域中的保守位点进行 突变，发现 ＧＴＰ 结合和 ／ 或水解是融合所必须的， 影响 ＧＴＰ 酶结构域的突变会减弱或消除 Ｍｇｍ１ｐ 促 进线粒体融合的能力［２９，３０］。在一些情况下，过表达 Ｍｇｍ１ｐ 的 ＧＴＰ 酶结构域突变体会导致相反的效 果，提示 Ｍｇｍ１ｐ 与其他 ｄｙｎａｍｉｎ 蛋白一样，是一 种自组装 （ａｓｓｅｍｂｌｉｎｇ）的 ＧＴＰａｓｅ，可能可以形成 同源多聚物［３０，３１］。相应的，其 ＧＥＤ 结构域可能和其 自组装有关，该区域的突变会抑制 Ｍｇｍ１ｐ 介导的 线粒体融合［３０］。Ｍｇｍ１ｐ／ ＯＰＡ１ 蛋白家族均定位于 线粒体膜间隙，近来的研究发现 Ｍｇｍ１ｐ 以两种蛋
摘要： 线粒体是高度动态变化的细胞器， 其在细胞内不断分裂、融合并形成网状结构。线粒体的分裂和融合 是 由 多 种 蛋 白 质 精 确 调 控 完 成 的 。 Ｄｒｐ１／Ｄｎｍ１ｐ， Ｆｉｓ１／Ｆｉｓ１ｐ， Ｃａｆ４ｐ 和 Ｍｄｖ１ｐ 参 与 线 粒 体 分 裂 的 调 控 ； Ｍｆｎ１／２／Ｆｚｏ１ｐ 控 制 线 粒 体 外 膜 的 融 合 ， 而 Ｍｇｍ１ｐ／ＯＰＡ１ 则 参 与 线 粒 体 内 膜 的 融 合 。 在 细 胞 凋 亡 过 程 中 线 粒 体 片 段化， 网状结构被破坏， 线粒体嵴发生重构， 抑制这一过程可以部分抑制细胞色素 ｃ 的释放和细胞凋亡。线粒体 形态对于细胞维持正常生理代谢和机体发育起着重要的作用， 一旦出现障碍会导致严重的疾病。
Ｄｒｐ１／Ｄｎｍ１ｐ 在膜重构的过程中能形成同源多 聚体。免疫共沉淀和酵母双杂交实验结果显示， Ｄｎｍ１ｐ 蛋白之间存在相互作用［７］。纯化的 Ｄｒｐ１ 能 够在体外组装成环形或螺旋形结构［８］，而不能水解 ＧＴＰ 的 Ｄｒｐ１ 突变体则引起线粒体的过度网络化 （ｔｕｂｕｌａｔｉｏｎ），同时 Ｄｒｐ１ 在线粒体周围呈条纹状排 列 ［９］， 这 提 示 Ｄｎｍ１ｐ／Ｄｒｐ１ 家 族 蛋 白 可 能 类 似 于 ｄｙｎａｍｉｎ，能在线粒体膜上形成环状结构，并通过 水解 ＧＴＰ 产生能量，促进环收缩，从而推动膜分 裂。然而也有观点认为 Ｄｒｐ１ 与小分子 ＧＴＰａｓｅ 一 样，可以作为信号分子将其他活性组分募集到分裂
收稿日期： ２００７－０７－３０ 通讯作者： 陈佺，电话：（０１０）６４８０７３２１， Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｑ＠ｉｏｚ．ａｃ．ｃｎ
第４期
线粒体分裂、融合与细胞凋亡
２５７
位点，从而促进膜分裂。支持这种模型的证据来自 于对 Ｄｎｍ１ｐ 的 ＧＥＤ 区的一种突变的研究，这种 突 变 不 具 有 ＧＴＰ 水 解 能 力 ， 因 此 可 以 以 Ｄｎｍ１ｐ－ＧＴＰ形式稳定存在，而在酵母中表达这种 Ｄｎｍ１ｐ 突变体，则导致线粒体分裂的增加［７］。
关键词： 线粒体； 分裂； 融合； 细胞凋亡 中图分类号： Ｑ２
０引 言
线粒体是真核细胞的一种重要的细胞器，在细 胞代谢和生理过程中发挥着重要的作用。一方面它 们是细胞的能量工厂，其通过氧化磷酸化产生能 量，为大量重要的代谢反应供能；另一方面，它们 也是细胞内信号传导中心。线粒体通过影响细胞内 钙信号和活性氧产生，与细胞核进行信号交流，调 控细胞生长活动。更重要的是，在细胞凋亡过程 中，线粒体释放促凋亡因子，对细胞内凋亡信号进 行整合和放大。线粒体在细胞生长、凋亡和衰老等 生理、病理过程中扮演着重要的角色［１］。近年来， 随着荧光成像技术和三维成像技术的发展，人们对 线粒体形态的认识也发生了很大的改变。线粒体在 大多数细胞类型中形成一个网状组织 （ｍｉｔｏｃｈｏｎ－ ｄｒｉａｌ ｒｅｔｉｃｕｌｕｍ）［２］。线粒体网状组织是一个高度动 态的结构，该结构通过持续的、相互对立的融合和 分裂事件的平衡来维持［３，４］。越来越多的证据证明线 粒体形态的动态变化 （ｄｙｎａｍｉｃｓ）对细胞功能的多 种方面具有非常重要的意义。
母线粒体分裂的调控。
２ 线粒体融合的分子机制
最早关于线粒体能够融合的证据来自于酵母， Ｃｌａｒｋ－Ｗａｌｋｅｒ 等人 发 ［１５］ 现两种具有不同 ｍｔＤＮＡ 缺 陷的、有氧呼吸障碍的酵母在交配 （ｍａｔｉｎｇ）后可 以重新获得有氧呼吸能力，提示线粒体发生了融 合，ｍｔＤＮＡ 进行了互补。但融合的分子机制一直 到近年来才逐步有所了解，线粒体融合是由其内外 膜上的几种保守的蛋白质介导的。
粒体膜上的分布不像 Ｄｎｍ１ｐ 位于内陷点上，而是 均匀分布于整个线粒体［１０］。Ｆｉｓ１ｐ 的跨膜区对其功 能非常重要，一旦缺失，其定位即变为整个胞浆， 并丧失促进线粒体分裂的功能 。 ［１０］ 通过 Ｘ 光晶体 衍射和 ＮＭＲ 光谱对人的 Ｆｉｓ１ 蛋白进行分析显示， 蛋白的胞浆区由一个羧基端的臂和 ６ 个反平行的 α 螺 旋 组 成 。 ［１３］ 这 ６ 个 α螺 旋 形 成 ＴＰＲ （ｔｅｔｒａｔｒｉ－ ｃｏｐｅｐｔｉｄｅ ｒｅｐｅａｔ， ＴＰＲ）样折叠，从而形成一个疏 水的凹陷，类似一个口袋，以利于其它蛋白的结合 （见图 １）。
生物物理学报 第二十三卷 第四期 二!!七年八月 ＡＣＴＡ ＢＩＯＰＨＹＳＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ Ｖｏｌ．２３ Ｎｏ．４ Ａｕｇ． ２００７
线粒体分裂、融合与细胞凋亡
蒋春笋 １，２， 肖伟明 １，３， 陈 佺 １
（１． 中国科学院动物研究所，北京 １００１０１；２． 江汉大学医学与生命科学学院，武汉 ４３００５０； ３． 北京大学生命科学院，北京 １００８７１）
在对酵母 ｆｚｏ１ｐ 抑制子的遗传筛选实验中，发 现了 Ｆｉｓ１ｐ 基因 （又叫 Ｍｄｖ２）［１０，１１］，该基因在果蝇 和 哺 乳 动 物 细 胞 中 都 有 高 度 同 源 的 类 似 物 。 ［１２］ Ｆｉｓ１／Ｆｉｓ１ｐ 是个相对较小的膜蛋白，羧基端跨过线 粒体外膜，氨基端的大部分蛋白面向胞浆，其在线
Ｍｄｖ１ｐ 和 Ｃａｆ４ｐ 结构非常类似，均只存在于 酵母中，在它们的氨基端包含一个 Ｎ 末端延伸结 构域 （Ｎ－ｔｅｒｍｉｎａｌ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ，ＮＴＥ），而在羧基端 有 ７ 个 ＷＤ４０ 重复区和一个 ｃｏｉｌｅｄ－ｃｏｉｌ 区。Ｍｄｖ１ｐ 的 ｃｏｉｌｅｄ－ｃｏｉｌ 区和 ＷＤ４０ 区可能是蛋白相互作用的 关键所在，酵母双杂交实验发现，ｃｏｉｌｅｄ－ｃｏｉｌ 区可 以和全长的 Ｍｄｖ１ｐ 蛋白相互作用，提示 Ｍｄｖ１ｐ 可 能 可 以 形 成 同 源 多 聚 体 。 ［１４］ Ｍｄｖ１ｐ 可 以 通 过 Ｄｎｍ１ｐ 依 赖 的 方 式 定 位 于 线 粒 体 表 面 的 内 陷 （ｐｕｎｃｔａ）处，如果没有 Ｄｎｍ１ｐ，Ｍｄｖ１ｐ 就以 Ｆｉｓ１ｐ 依赖的方式均匀地分散在线粒体［１１］。免疫共沉淀和 酵母双杂交实验均证实 Ｃａｆ４ｐ 与 Ｆｉｓ１ｐ 和 Ｄｎｍ１ｐ 存在相互作用，提示其可能在线粒体分裂中起作 用。尽管 Ｃａｆ４ｐ 基因缺失的酵母中并未见明显的线 粒体形态变化，但将 Ｃａｆ４ｐ 转入 ｍｄｖ１Δ的酵母株 中 可 以 部 分 恢 复 其 线 粒 体 形 态 ， 而 且 ｃａｆ４Δ和 ｍｄｖ１Δ双缺失能造成更严重的线粒体变化。这些 结果提示 Ｃａｆ４ｐ 可能和 Ｍｄｖ１ｐ 共同作用，参与酵
２５８
生物物理学报
２００７年
ＧＴＰａｓｅ 结构域、几个 ｃｏｉｌｅｄ－ｃｏｉｌ 结构域和一个跨 膜区 （见图 １）。蛋白的氨基端是 ＧＴＰａｓｅ，和其它 ＧＴＰａｓｅ 一样也有 ４ 个保守的区域—— —Ｇ１－Ｇ４，这 是结合和水解 ＧＴＰ 所必需的［２０］。这一区域相当保 守，其中的关键氨基酸一旦突变会使蛋白彻底丧失 功能。在 Ｆｚｏ 家族蛋白的羧基端有一个跨膜区，该 区域富含疏水氨基酸，并包含有线粒体定位序 列［１９］，通过蛋白酶保护实验证实该区域两次穿膜， 从而使 Ｆｚｏ 蛋白的 Ｎ 端与 Ｃ 端均位于胞浆中 ， ［１７，２１］ 这一结构类似于一个钩子挂在线粒体外膜上。Ｆｚｏ 蛋白含有多个 ｃｏｉｌｅｄ－ｃｏｉｌ 结构域，在酵母、果蝇 Ｆｚｏ 的 Ｎ 端均有，而哺乳动物则没有，而所有 Ｆｚｏ 蛋白在 Ｃ 端以及跨膜区前各有一个 ｃｏｉｌｅｄ－ｃｏｉｌ 结构 域。已有的研究显示，ｃｏｉｌｅｄ－ｃｏｉｌ 所形成的 α螺旋 区可能介导 Ｆｚｏ 蛋白之间的相互作用，或单个 Ｆｚｏ 蛋白内部、或 Ｆｚｏ１ 和不同的融合蛋白之间的相互 作用，而且 Ｃ 端的 α螺旋对于 Ｆｚｏ 家族蛋白在线 粒 体 上 的 定 位 至 关 重 要 。 ［２２］ Ｋｏｓｈｉｂａ 等 ［２３］ 则 发 现 Ｍｆｎ１／２ 的 Ｃ 端 α螺旋在线粒体聚集过程中起着重 要的作用，它们能形成同源 ／ 异源二聚体，从而使 两个线粒体相互靠近，进而融合。
１ 线粒体分裂的分子机制
近年来，参与线粒体分裂的一些蛋白逐步被鉴 定出来。参与线粒体外膜分裂的蛋白包ｐ， 前 两 个在多种生物中存在并比较保守，后两种蛋白目前 仅在酵母中发现。
Ｄｒｐ１／Ｄｎｍ１ｐ 蛋白是 Ｄｙｎａｍｉｎ 超家族的成员之 一，它的氨基酸序列与 Ｄｙｎａｍｉｎ 具有很高的同源 性 ， 有 多 个 保 守 结 构 域 ， 都 有 ＧＴＰａｓｅ 结 构 域 （Ｄｙｎａｍｉｎ ｄｏｍａｉｎ）、 中 间 区 （ｍｉｄｄｌｅ ｄｏｍａｉｎ， Ｄｙｎａｍｉｎ－２ ｄｏｍａｉｎ）和介导自组装的羧基末端的 ＧＴＰａｓｅ 效 应 结 构 域 （ＧＴＰａｓｅ ｅｆｆｅｃｔｏｒ ｄｏｍａｉｎ， ＧＥＤ）［５］ （见图 １）。 尽 管 Ｄｒｐ１ 的 脯 氨 酸 富 集 区 （ｐｒｏｌｉｎｅ－ｒｉｃｈ ｄｏｍａｉｎ， ＰＲＤ）与 Ｄｙｎａｍｉｎ 的 ＰＲＤ 都 具有与 Ｓｒｃ Ｈｏｍｏｌｏｇ ３ （ＳＨ３）结合的位点，但两 者不仅位置不同，序列也不相同，因此 Ｄｒｐ１ 可能 具 有 特 殊 的 与 Ｄｙｎａｍｉｎ 不 同 的 调 控 功 能 。 此 外 Ｄｒｐ１ 缺 少 Ｄｙｎａｍｉｎ 独 有 的 ｐｌｅｃｋｓｔｒｉｎ ｈｏｍｏｌｏｇｙ （ＰＨ）结构域，而此结构域具有膜定位的功能，说 明 Ｄｒｐ１ 可能需要其他的蛋白辅助定位至线粒体［６］。
白形式存在，一种分子量较大 （ｌ－Ｍｇｍ１ｐ），一种 分子量较小 （ｓ－Ｍｇｍ１ｐ），ｓ－Ｍｇｍ１ｐ 是由线粒体膜 间 隙 的 丝 氨 酸 蛋 白 酶 Ｒｂｄ１ｐ （ｒｈｏｍｂｏｉｄ） 切 割 ｌ－Ｍｇｍ１ｐ 形成的［３２，３３］。缺乏 Ｐｃｐ１ｐ 的酵母线粒体会 片段化，这一现象可以通过敲除分裂相关蛋白 Ｄｎｍ１ｐ 使线粒体恢复正常形态 。 ［３４］ 但 Ｐｃｐ１ｐ 缺失 并 不 抑 制 线 粒 体 的 融 合 ， 这 提 示 Ｐｃｐ１ｐ 和 ｓ－Ｍｇｍ１ｐ并不是线粒体融合所必需的，而可能是提 高融合的效率，或是参与维持线粒体的网状结 构 。 ［３４］ 将 人 的 Ｐｃｐ１ｐ 的 同 源 物 Ｐａｒｌ （ｐｒｅｓｅｎｉｌｉｎ－ ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ ｒｈｏｍｂｏｉｄ－ｌｉｋｅ）转入缺失该基因的酵母 中，可以重新产生 ｓ－Ｍｇｍ１ｐ，说明 Ｐｃｐ１ｐ 在进化 中 相 当 保 守 。 ［３３］ 近 期 的 研 究 发 现 在 人 的 同 源 物 ＯＰＡ１中也存在着这种切割，但是关于切割 ＯＰＡ１ 的酶目前有不同报道，Ｃｉｐｏｌａｔ 等［３５］通过对 Ｐａｒｌ－／－ 鼠的研究发现 Ｐａｒｌ 对于 ＯＰＡ１ 的切割和内膜的重 构起重要的作用，Ｉｓｈｉｈａｒａ 等［３５］则认为只有 Ｌ 型的 ＯＰＡ１ 在线粒体融合中起作用，而线粒体基质中的 ｍ－ＡＡＡ 蛋白酶 ｐａｒａｐｌｅｇｉｎ 可以切割 ｌ－ＯＰＡ１，从而 导致线粒体片段化。
线 粒 体 内 膜 的 融 合 是 由 Ｄｙｎａｍｉｎ 家 族 蛋 白 Ｍｇｍ１ｐ／ＯＰＡ１介导的。很早以前人们就已经发现， Ｍｇｍ１ｐ是出芽酵母维持线粒体基因组稳定［２４］和正常 的线粒体形态［２５］所必需的。Ｗｏｎｇ 等人［２６］建立了温 度敏感型 ｍｇｍ１ 突变体酵母株，发现当转换到抑制 Ｍｇｍ１ｐ 表达的温度下，线粒体迅速发生片段化， 而且在交配过程中，ｍｇｍ１ 突变体的线粒体融合被 阻断，说明 Ｍｇｍ１ｐ 是线粒体融合必需的。Ｍｇｍ１ｐ 在哺乳动物中的同源 物 是 ＯＰＡ１ （ｏｐｔｉｃ ａｔｒｏｐｈｙ， ＯＰＡ１） 。 ［２７，２８］ Ｍｇｍ１ｐ／ＯＰＡ１ 蛋白包括氨基端 的 线 粒体信号肽，两个疏水区，一个 ＧＴＰａｓｅ 结构域， 一个中间区和羧基末端的 ＧＥＤ 结构域 （见图 １）。 对 Ｍｇｍ１ｐ 的 ＧＴＰａｓｅ 酶结构域中的保守位点进行 突变，发现 ＧＴＰ 结合和 ／ 或水解是融合所必须的， 影响 ＧＴＰ 酶结构域的突变会减弱或消除 Ｍｇｍ１ｐ 促 进线粒体融合的能力［２９，３０］。在一些情况下，过表达 Ｍｇｍ１ｐ 的 ＧＴＰ 酶结构域突变体会导致相反的效 果，提示 Ｍｇｍ１ｐ 与其他 ｄｙｎａｍｉｎ 蛋白一样，是一 种自组装 （ａｓｓｅｍｂｌｉｎｇ）的 ＧＴＰａｓｅ，可能可以形成 同源多聚物［３０，３１］。相应的，其 ＧＥＤ 结构域可能和其 自组装有关，该区域的突变会抑制 Ｍｇｍ１ｐ 介导的 线粒体融合［３０］。Ｍｇｍ１ｐ／ ＯＰＡ１ 蛋白家族均定位于 线粒体膜间隙，近来的研究发现 Ｍｇｍ１ｐ 以两种蛋
摘要： 线粒体是高度动态变化的细胞器， 其在细胞内不断分裂、融合并形成网状结构。线粒体的分裂和融合 是 由 多 种 蛋 白 质 精 确 调 控 完 成 的 。 Ｄｒｐ１／Ｄｎｍ１ｐ， Ｆｉｓ１／Ｆｉｓ１ｐ， Ｃａｆ４ｐ 和 Ｍｄｖ１ｐ 参 与 线 粒 体 分 裂 的 调 控 ； Ｍｆｎ１／２／Ｆｚｏ１ｐ 控 制 线 粒 体 外 膜 的 融 合 ， 而 Ｍｇｍ１ｐ／ＯＰＡ１ 则 参 与 线 粒 体 内 膜 的 融 合 。 在 细 胞 凋 亡 过 程 中 线 粒 体 片 段化， 网状结构被破坏， 线粒体嵴发生重构， 抑制这一过程可以部分抑制细胞色素 ｃ 的释放和细胞凋亡。线粒体 形态对于细胞维持正常生理代谢和机体发育起着重要的作用， 一旦出现障碍会导致严重的疾病。
Ｄｒｐ１／Ｄｎｍ１ｐ 在膜重构的过程中能形成同源多 聚体。免疫共沉淀和酵母双杂交实验结果显示， Ｄｎｍ１ｐ 蛋白之间存在相互作用［７］。纯化的 Ｄｒｐ１ 能 够在体外组装成环形或螺旋形结构［８］，而不能水解 ＧＴＰ 的 Ｄｒｐ１ 突变体则引起线粒体的过度网络化 （ｔｕｂｕｌａｔｉｏｎ），同时 Ｄｒｐ１ 在线粒体周围呈条纹状排 列 ［９］， 这 提 示 Ｄｎｍ１ｐ／Ｄｒｐ１ 家 族 蛋 白 可 能 类 似 于 ｄｙｎａｍｉｎ，能在线粒体膜上形成环状结构，并通过 水解 ＧＴＰ 产生能量，促进环收缩，从而推动膜分 裂。然而也有观点认为 Ｄｒｐ１ 与小分子 ＧＴＰａｓｅ 一 样，可以作为信号分子将其他活性组分募集到分裂
收稿日期： ２００７－０７－３０ 通讯作者： 陈佺，电话：（０１０）６４８０７３２１， Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｑ＠ｉｏｚ．ａｃ．ｃｎ
第４期
线粒体分裂、融合与细胞凋亡
２５７
位点，从而促进膜分裂。支持这种模型的证据来自 于对 Ｄｎｍ１ｐ 的 ＧＥＤ 区的一种突变的研究，这种 突 变 不 具 有 ＧＴＰ 水 解 能 力 ， 因 此 可 以 以 Ｄｎｍ１ｐ－ＧＴＰ形式稳定存在，而在酵母中表达这种 Ｄｎｍ１ｐ 突变体，则导致线粒体分裂的增加［７］。