线粒体动态网络在脓毒症相关性脑病中的研究
马红丽张占琴王强
西安医院麻醉手术部
国际麻醉学与复苏杂志,,42(02):-.
DOI：10./cma.j.cn--
基金项目
海外及港澳学者合作研究基金（）；
国家自然科学基金（，）；
陕西省自然科学基础研究计划项目（JQ?）
REVIEWARTICLES
线粒体是真核细胞氧化磷酸化及产生ATP的主要场所，不断地进行着融合、分裂和转运，在细胞内形成高度互联的动态管状网络。线粒体网络在神经细胞的能量代谢过程中起着关键的作用，线粒体动态网络异常是中枢神经系统疾病的重要病理机制。脓毒症是ICU最常见的致死性病因之一，可诱发脓毒性休克及多器官功能障碍综合征。脓毒症相关性脑病（sepsisassociatedencephalopathy,SAE）是脓毒症常见且最严重的神经系统并发症，以认知功能和意识状态改变为特征，是影响脓毒症患者预后的独立危险因素，然而目前缺乏有效的诊断和治疗方法。目前的研究普遍认为，神经细胞能量代谢障碍是SAE的始发环节。因此，由线粒体融合、分裂和转运异常引起的功能障碍与SAE发病密切相关。本篇综述主要就线粒体动态网络在SAE发生发展中的作用进行综述，基于线粒体网络稳态阐释SAE的损伤机制，并为其治疗提供研究依据。
1线粒体动态网络的构成
线粒体是细胞内高度动态的细胞器，通过不断地融合、分裂及转运，在细胞内形成互联的动态网络，在不同的细胞周期及生长状态会呈现出不同的形态，这对精确调节细胞复杂的生命活动是必需的。
1.1 融 合
线粒体融合包括线粒体外膜和线粒体内膜融合。外膜融合由融合蛋白Mitofusins介导，内膜融合则由视神经萎缩蛋白1（opticatrophy1,OPA1）所介导，两者共同参与线粒体融合的调控。
融合蛋白Mitofusins有Mfn1和Mfn2两种亚型。研究表明，敲除Mfn1和Mfn2会使线粒体融合能力丧失并伴大量线粒体碎片化形成，特征是线粒体嵴超微结构和膜电位的丢失，线粒体DNA（mitochondrialDNA,mtDNA）的缺损，以及线粒体基因突变增加。Mfn1和Mfn2同时又受到多因子的修饰调控，Mfn1T位点可被细胞外调节蛋白激酶2磷酸化，使Mfn1寡聚受抑，进而线粒体明显碎片化，促进神经元凋亡；而Mfn2S位点可被人PTEN诱导激酶1磷酸化，磷酸化后的Mfn2在线粒体外膜上成为E3泛素连接酶parkin的对接位点，促进其自噬降解。此外，Mfn1和Mfn2可通过二硫键形成交联，从而抵抗氧化应激损伤。总之，Mfn1和Mfn2虽功能相同却又各具特点：Mfn2在表达时空上更具组织特异性，除促融合外，还参与多种信号通路级联，并作为一种促凋亡和增殖蛋白发挥作用；而Mfn1在调节线粒体融合更具相对特异性，纯化后GTP酶活性更高，从而具有更高的融合效率。
OPA1先在线粒体胞浆中形成前体蛋白，后转运至线粒体膜间隙中发挥作用。转运过程中，OPA1经线粒体加工肽酶水解成长片段（L?OPA1），L?OPA1可与线粒体内膜的心磷脂相互作用促进融合；L?OPA1在线粒体膜间隙中亦可被金属蛋白酶OMA1/YMELL1水解成短片段（S?OPA1），S?OPA1发挥维持氧化磷酸化、线粒体嵴结构及功能的作用。此外，OPA1可被转录后翻译修饰，研究发现，细胞应激时OPA1可被乙酰化，融合受损，而沉默信息调节因子2相关酶类3（silentmatingtypeinformationregulation2homolog?3,SIRT3）可去乙酰化OPA1，从而保护线粒体融合功能。因此，OPA1除了具有融合作用外，还参与了细胞凋亡、嵴超微结构和呼吸超复合体稳定性的维持。
1.2 分 裂
线粒体分裂是指线粒体膜断裂使线粒体基质及其DNA重新分配形成两个线粒体的过程，由动力相关蛋白1（dynamin?relatedprotein1,Drp1）和线粒体适配器蛋白，包括线粒体分裂蛋白1（mitochondrialfission1protein,Fis1）、线粒体分裂因子（mitochondrialfissionfactor,MFF）和线粒体动力学蛋白49和51（mitochondrialdynamicsproteins49and51,MID49/51）相互作用且共同参与分裂调控。
Drp1是线粒体分裂的主要执行者，存在于胞质，激活后被线粒体适配器蛋白招募至线粒体表面介导分裂。研究表明，显性负性突变Drp1可明显减少线粒体分裂，导致线粒体呈现连续的长管子状形态。Drp1基因敲除鼠表现为心腔扩张、小脑发育迟缓以及大脑皮质细胞过早凋亡等，这些特征与ATP产生缺乏、线粒体形态肿胀和凋亡受损密切相关。Drp1激活受多种因子参与的翻译后修饰调控，以特定位点丝氨酸磷酸化为主。在神经元中，钙调蛋白依赖的蛋白激酶Ⅱ，可使Drp1在S位点磷酸化，从而增强Drp1活性，促进线粒体分裂。而蛋白激酶A介导的Drp1S位点磷酸化可抑制Drp1激活和线粒体分裂。除磷酸化外，Drp1上的多个赖氨酸残基上亦可被小泛素化相关修饰物化，有利于线粒体外膜上的Drp1寡聚体的稳定，从而促进线粒体分裂和凋亡。
Fis1、MFF和MID49/51是位于线粒体外膜的受体样蛋白，可直接与Drp1结合装配成低聚物，诱导线粒体分裂。Lee等研究指出，过表达Fis1可致线粒体碎片化，抑制Fis1表达可减少线粒体分裂，而Osellame等认为高表达Fis1并未导致线粒体碎片化。此外，Otera等发现过表达MFF可诱导线粒体分裂，而过表达MID51或MID49却可使线粒体明显延长。因此线粒体分裂是由多个线粒体外膜受体分子介导的多条途径，具体机制还需进一步探讨。
1.3 转 运
线粒体转运是指细胞内线粒体随能量状态变化而运动至特定区域的动态过程。
线粒体在细胞内转运需要轨道、马达蛋白和马达适配器转运蛋白共同参与。在哺乳动物神经细胞中，用延时成像技术可见线粒体沿着微管轨道双向运输。研究表明，马达蛋白是基于微管介导线粒体运输的多亚基复合物，主要包括驱动蛋白和动力蛋白，通过水解ATP获得动力分别对线粒体进行远程的正向及负向运输。马达蛋白与线粒体的相互作用并非是直接的，而是通过马达适配器转运蛋白间接参与线粒体转运。在哺乳动物神经元中，马达适配器转运蛋白TRAK（traffickingkinesinprotein）与Kinesin家族中的KIF5相互作用需要通过线粒体外膜上的RHO家族GTP酶Miro参与，三者共同参与线粒体转运。研究表明，线粒体沿微管转运是一个Ca2+敏感过程，Miro家族作为Ca2+传感器，调控线粒体与马达适配器转运蛋白TRAK家族成员的相互作用。而且线粒体转运亦会受到相关酶的调节，Pekkurnaz等发现，细胞外高葡萄糖可激活氧连?N?乙酰氨基葡萄糖（O?linkedN?acetylglucosamine,O?GlcNAc），O?GlcNAc可使神经元内线粒体转运关键马达蛋白TRAK糖基化修饰，导致线粒体转运停滞，这与轴突功能受损密切相关。
2线粒体动态网络平衡的意义
细胞内均衡的融合/分裂比，精确的分布定位与线粒体功能和生理活动的稳定性密不可分。
细胞内当融合/分裂比较高时，线粒体形成互联的管状网络，而融合/分裂比较低时，线粒体形成碎片化形态。融合过程中的基质互相扩散有利于稀释突变的mtDNA和氧化蛋白，这一交叉互补的方式对维持线粒体呼吸功能及基因组的保真性，提高线粒体抵抗损伤能力至关重要。线粒体分裂可使不可逆损伤的mtDNA以及去极化的线粒体膜在分裂时聚集到一个子线粒体中，并进一步通过泛素化自噬降解，对维持mtDNA及线粒体膜电位的稳定至关重要。
线粒体的亚细胞器分布对神经元这种具有复杂神经过程的高度极化细胞极为重要，及时的线粒体运输和分布，决定着高能量需求区（如突触末端）的能量供应。若分布异常可致局部突触ATP产生不足，从而使神经递质合成、囊泡循环维持异常。
3线粒体动态网络与SAE
脑组织重量占机体2%~5%，耗氧量却占全身25%，而且脂质含量丰富，脓毒症时极易发生氧化应激损伤和线粒体功能紊乱。目前的研究普遍认为，神经细胞能量代谢障碍是SAE的始发环节，线粒体作为能量代谢的核心，其功能障碍是SAE发生发展的关键。线粒体网络形态和功能是紧密联系的，因此，由线粒体融合、分裂和转运异常引起的功能障碍是SAE发生的重要病理机制。
3.1 SAE时线粒体网络形态结构的变化
研究表明，SAE损伤初期，线粒体肿胀，mtDNA受损及部分膜去极化，线粒体融合促进线粒体之间互补，修复受损mtDNA，维持氧化磷酸化功能；线粒体分裂可使部分去极化膜和突变mtDNA聚集于子线粒体中，进一步通过自噬降解。随着损伤进一步加重，线粒体电子传递呼吸链受阻，ATP合成减少，活性氧自由基（reactiveoxygenspecies,ROS）产生增多，线粒体损伤呈瀑布式级联发生，过量的ROS又持续驱动氧化应激。此时线粒体分裂增强、融合受损，呈广泛的碎片化表现，大量片段化的线粒体激活细胞凋亡及坏死信号，致使机体呈不可逆损伤，这提示线粒体融合/分裂失衡与SAE发生发展密切相关。而且，分裂和融合失衡会影响线粒体运输，甚至使神经元内线粒体运输停滞。神经元胞体内的线粒体会被运送到轴突末端，为突触传递与囊泡分泌提供能量，并对存在毒性蛋白和突变mtDNA的线粒体进行融合修复；而受损的线粒体被运回细胞体进行修复补充或经溶酶体降解。研究发现，细菌脂多糖刺激小鼠脑片后，轴突线粒体转运速率减少，静止线粒体比例增多，逆行线粒体明显减少，进而导致轴突功能受损。也有研究发现，脓毒症过程中，海马易受神经炎症环境诱导发生突触可塑性缺陷，导致认知、记忆障碍，这提示线粒体转运异常所致的动态网络失衡可能通过突触可塑性介导SAE的发生。
3.2 SAE时线粒体网络相关蛋白的表达变化
生理状态下，线粒体融合相关蛋白Mfn1、Mfn2、OPA1与分裂相关蛋白Drp1、Fis1、MFF、MID49/51等共同维持线粒体大小、数量、形状和生理功能。SAE时，诱导型一氧化氮合酶（induciblenitricoxidesynthase,iNOS）表达上调，Ca2+超载及ROS产生增加，Mfn2、OPA1表达降低而Drp1活性增加致使线粒体融合/分裂失衡及转运受阻，加剧了线粒体膜势能、呼吸酶及mtDNA的损伤，最终导致神经元受损及功能障碍。研究表明，iNOS的表达上调可使一氧化氮（nitricoxide,NO）合成增加，NO进而S?亚硝基化Drp1cys位点，增强Drp1活性，导致线粒体过度分裂碎片化，引起神经元突触缺失及细胞死亡。亦有研究表明，神经元中ROS增加可使OPA1N?末端裂解及残基K被清除，导致线粒体碎片化及功能损伤，最终神经元凋亡；而且ROS增加可使细胞内Ca2+信号瞬变并激活丝裂原活化蛋白激酶，进而导致线粒体转运停滞，突触功能受损。OPA1下调可致融合受损、线粒体碎片化，进而导致线粒体呼吸能力下降、膜电位丧失，而呼吸能力的下降可导致低膜电位线粒体的积累和OPA1进一步的失活，从而形成线粒体功能受损的恶性循环；而且Mfn2表达降低可使其与Miro的相互作用减弱，致线粒体在轴突中的转运受到抑制。最后，在神经元中，线粒体损伤后膜电位降低可激活Pink1?Parkin通路，后者可使MiroLys27位点泛素化，从而影响神经元内线粒体的转运。这些研究提示脓毒症时线粒体动态网络相关分子表达异常可直接导致神经元凋亡及脑功能障碍。
有研究发现，线粒体分裂抑制剂Mdivi?1可缓解脓毒症时脑损伤和细胞凋亡，抑制血浆中Sb蛋白和神经元特异性烯醇化酶释放，抑制Drp1活化，增加OPA1和磷酸化Drp1表达，对SAE具有保护作用。因此，调节线粒体动态网络相关分子，如Mfn2、OPA1、Drp1及Miro等可能为SAE的预防和治疗提供一种新的策略。
4结语
线粒体网络稳态与维持线粒体功能密切相关，SAE时虽病理生理机制复杂，但仍以线粒体功能障碍为核心。神经元内的线粒体融合/分裂失衡及分布异常会加重脓毒症时脑内线粒体功能障碍及神经元损伤，进而引发或加重SAE。目前，SAE的治疗主要依靠抗生素和液体复苏治疗，而对于后续长期的认知功能损伤，仍无公认有效的疗法。因此，通过调控线粒体网络稳态可能是治疗SAE潜在的治疗手段。
如果您对本文感兴趣，可登录我刊投稿系统平台（
