王思文 李鵬飛 王從玉 鮑思潔 孫誠浩 管懷進(jìn)

線粒體是多細(xì)胞生命不可或缺的組成部分，通過氧化磷酸化形式產(chǎn)生三磷酸腺苷(ATP)為細(xì)胞代謝提供所需的能量，因此常常被稱為細(xì)胞的“能量工廠”[1-2]。此外，線粒體擁有動態(tài)變化的結(jié)構(gòu)，能夠通過裂變和融合這種形態(tài)上的變化和空間上的重新排列以適應(yīng)細(xì)胞的需求，維持能量平衡。線粒體的這種控制其數(shù)量、大小、形狀和在細(xì)胞內(nèi)的分布特征被稱為線粒體動力學(xué)[3-4]。融合和裂變之間的動態(tài)平衡是利用線粒體之間的物質(zhì)交換來維持線粒體基因組的穩(wěn)定以及通過線粒體自噬和線粒體生物合成來一起維持線粒體的質(zhì)量控制[5]。因此，線粒體功能的正常運(yùn)行是通過線粒體動力學(xué)(裂變/融合)和質(zhì)量(生物發(fā)生/線粒體自噬)控制之間的動態(tài)平衡實(shí)現(xiàn)的。正常情況下，融合-裂變是平衡的，當(dāng)細(xì)胞早期受到應(yīng)激時，受損的線粒體會首先通過裂變和融合來維持其功能的正常運(yùn)行，若未及時修復(fù)，線粒體自噬會參與維持線粒體質(zhì)量控制[6]。隨著研究的深入，有研究發(fā)現(xiàn)，線粒體動力學(xué)異常與細(xì)胞的衰老和凋亡密切相關(guān)[7-8]，目前，多項(xiàng)研究聚焦線粒體的動力學(xué)，調(diào)節(jié)與多種眼部疾病發(fā)生之間的關(guān)系，如年齡相關(guān)性白內(nèi)障、青光眼、年齡相關(guān)性黃斑變性(AMD)和糖尿病視網(wǎng)膜病變(DR)等。本文就線粒體裂變和融合與常見眼科疾病之間的調(diào)控關(guān)系進(jìn)行綜述。

1 線粒體裂變的分子機(jī)制

線粒體裂變主要由線粒體動力蛋白1(Drp1)調(diào)控，Drp1是屬于動力蛋白家族的三磷酸苷(GTP)酶，包括一個N端GTP酶結(jié)構(gòu)域，一個中間區(qū)和一個C端GTP酶效應(yīng)域[9]。應(yīng)激反應(yīng)時，細(xì)胞線粒體會通過增加自身的裂變來清除有缺陷的線粒體以維持細(xì)胞內(nèi)部功能的正常運(yùn)行[10]，而線粒體裂變蛋白Drp1在此過程發(fā)揮重要作用，其作用機(jī)制如下：當(dāng)線粒體外膜(OMM)上絲氨酸 616位點(diǎn)發(fā)生磷酸化后，線粒體外膜蛋白、線粒體裂變因子(Mff)與其他蛋白質(zhì)一起募集位于細(xì)胞質(zhì)的Drp1到OMM[11]；定位在線粒體以后，Drp1形成螺旋狀結(jié)構(gòu)，相鄰梯級的GTP酶結(jié)構(gòu)域就會靠近并觸發(fā)GTP水解，誘導(dǎo)進(jìn)一步的構(gòu)象變化，從而驅(qū)動OMM收縮[12-13]，最終在線粒體周圍形成一個環(huán)，將其收緊以形成2個獨(dú)立的線粒體，介導(dǎo)線粒體外膜的裂變過程[7]。有研究顯示，與線粒體外膜結(jié)合的蛋白也可以通過招募Drp1來啟動線粒體裂變，如裂變蛋白-1(Fis1)、 Mff、線粒體動力學(xué)蛋白(MiD)-49和MiD51[11,14]。另外，除了OMM裂變機(jī)制外，線粒體內(nèi)膜蛋白質(zhì)線粒體蛋白18也被發(fā)現(xiàn)通過與OMM連接促進(jìn)線粒體內(nèi)膜(IMM)發(fā)生裂變[15]，它發(fā)揮作用的具體機(jī)制還有待進(jìn)一步研究[7,16]。

2 線粒體融合的分子機(jī)制

線粒體融合是對輕度受損的線粒體進(jìn)行潛在修復(fù)的過程[10]，主要是融合蛋白(Mfn)和視神經(jīng)萎縮蛋白1(OPA1)將兩個線粒體內(nèi)外膜進(jìn)行融合形成一個線粒體的過程。Mfn和OPA1分別介導(dǎo)外膜和內(nèi)膜的融合[17-20]。外膜融合蛋白Mfn有2種同工型：Mfn1和Mfn2，兩者在結(jié)構(gòu)上相似，N端區(qū)域包含一個GTP酶結(jié)構(gòu)域和一個疏水性的七肽重復(fù)結(jié)構(gòu)，稱為HR1。C端區(qū)域包含第2個七肽重復(fù)域，稱為HR2，兩者之間存在一個長的跨膜結(jié)構(gòu)域[21]。在線粒體外膜融合過程中，2個鄰近線粒體外膜上的Mfn1和Mfn2相互連接以啟動線粒體外膜融合，其作用機(jī)制如下：首先，Mfn1/2的C端螺旋在線粒體聚集過程中形成同源/異源二聚體，從而使兩個相鄰線粒體相互靠近[22]；其次，由于Mfn1和Mfn2融合蛋白的N端均包含GTP結(jié)合域[21]，所以，在與GTP結(jié)合的水解作用下，相鄰的線粒體被GTP酶結(jié)構(gòu)域的構(gòu)象變化所驅(qū)動而完全融合[22]。

待線粒體外膜融合后，OPA1接著調(diào)節(jié)線粒體內(nèi)膜的融合。OPA1蛋白是位于線粒體內(nèi)膜上的跨膜蛋白，同時也是一種GTP酶，包括一個GTP酶結(jié)構(gòu)域、一個中間區(qū)和一個C端GTP酶效應(yīng)結(jié)構(gòu)域[23]，因此，能夠促進(jìn)線粒體內(nèi)膜融合的發(fā)生。線粒體融合機(jī)制十分復(fù)雜，目前尚不完全清楚，仍需進(jìn)一步探究。因此，線粒體裂變與融合能夠控制線粒體形態(tài)以滿足細(xì)胞的特定需求，線粒體裂變能夠通過分離無效線粒體為細(xì)胞提供更充足的能量[24]；代謝活躍的細(xì)胞通常具有相互連接的線粒體網(wǎng)絡(luò)，融合的線粒體網(wǎng)絡(luò)使代謝物質(zhì)交換更加頻繁，將膜電位從線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)傳遞到內(nèi)膜外，增加ATP產(chǎn)生，并減少活性氧(ROS)產(chǎn)生[25-27]。所以，任何一種OMM或IMM裂變蛋白的增多或融合蛋白的缺失均會導(dǎo)致線粒體網(wǎng)絡(luò)過度碎片化，從而誘發(fā)細(xì)胞凋亡。因此，線粒體動力學(xué)的調(diào)節(jié)過程對于維持線粒體完整性和功能具有重要意義，裂變-融合的穩(wěn)態(tài)失衡會導(dǎo)致線粒體功能異常，進(jìn)而導(dǎo)致多種眼科疾病的發(fā)生。

3 線粒體融合和裂變與年齡相關(guān)性眼病

3.1 線粒體融合和裂變與年齡相關(guān)性白內(nèi)障年齡相關(guān)性白內(nèi)障(ARC)是當(dāng)今國內(nèi)外最常見的致盲性眼病，然而其病因和發(fā)病機(jī)制尚不清楚。分子生物學(xué)研究表明，自由基特別是ROS異常增高所造成的細(xì)胞內(nèi)DNA氧化損傷而導(dǎo)致的晶狀體上皮細(xì)胞(LECs)的損害和凋亡是ARC發(fā)病的分子基礎(chǔ)[28]。ROS過度產(chǎn)生導(dǎo)致DNA氧化損傷，包括核DNA(nDNA)氧化損傷和線粒體DNA(mtDNA)氧化損傷。前期大量研究均聚焦ARC內(nèi)nDNA的氧化損傷修復(fù)，結(jié)果證實(shí)，8-羥基鳥嘌呤DNA糖苷酶1基因(OGG1)，修復(fù)交叉互補(bǔ)基因6(ERCC6)和WRN等DNA氧化損傷修復(fù)基因表達(dá)在ARC中均顯著降低[29-30]。然而，有研究證實(shí)，由于mtDNA位于線粒體內(nèi)膜的電子傳遞鏈復(fù)合物內(nèi)，更靠近ROS的主要合成點(diǎn)，并且mtDNA缺乏組蛋白保護(hù)，因此，相對于nDNA來說，LECs內(nèi)部的mtDNA更容易發(fā)生氧化損傷[31]。此外，有研究證實(shí)，OGG1和ERCC6蛋白能夠參與線粒體內(nèi)mtDNA的損傷修復(fù)過程[32-34]。還有研究顯示，在衰老大鼠的晶狀體內(nèi)mtDNA損傷重于nDNA損傷，并伴隨DNA損傷修復(fù)基因表達(dá)降低，最終導(dǎo)致白內(nèi)障的發(fā)生[35-36]。綜上所述，若線粒體內(nèi)氧化損傷未及時修復(fù)，隨著年齡增加，mtDNA損傷不斷累積，必將引起線粒體的動力學(xué)異常，因此，線粒體本身動力學(xué)調(diào)控維持LECs內(nèi)線粒體的功能正常運(yùn)行可能在ARC的發(fā)病機(jī)制中起重要作用。然而，目前ARC中對于線粒體動力學(xué)蛋白的異常變化研究尚缺乏，所以，ARC發(fā)病機(jī)制值得學(xué)者們深入探討。

3.2 線粒體融合和裂變與青光眼青光眼是全球第二大致盲性眼病，其病理學(xué)特征表現(xiàn)為視神經(jīng)乳頭(ONH)軸突和視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(RGC)慢性退行性病變，導(dǎo)致視覺功能喪失。流行病學(xué)研究顯示，青光眼患病率還在持續(xù)增加[37]，這表明青光眼的發(fā)病機(jī)制與人口老齡化直接相關(guān)[38]。近年來，多項(xiàng)研究證實(shí)，RGC軸突線粒體功能的正常運(yùn)行在青光眼的發(fā)病機(jī)制研究中起重要作用[39]。有研究發(fā)現(xiàn)，在青光眼患者和SD大鼠ONH星形膠質(zhì)細(xì)胞中以及在體外氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的ONH動物模型的星形膠質(zhì)細(xì)胞中均發(fā)現(xiàn)線粒體過度裂變導(dǎo)致的線粒體功能異常[40]。在此，本研究綜述了兩種常見的青光眼動物模型中線粒體動力學(xué)的變化。

DBA/2J(D2)青光眼小鼠模型中，小鼠眼底表現(xiàn)出的RGC損傷與青光眼患者視神經(jīng)病變相似，透射電子顯微鏡結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在該模型鼠中，線粒體的嵴被破壞，表面積比野生型小鼠組小，這提示線粒體裂變明顯增加[41]。隨著分子生物學(xué)研究的深入，有研究發(fā)現(xiàn)，該模型中 A激酶錨定蛋白1的缺失通過下調(diào)線粒體膜上Ser637位點(diǎn)處Drp1磷酸化水平，從而導(dǎo)致Drp1表達(dá)增多，線粒體裂變增加，進(jìn)而影響RGCs細(xì)胞存活[42]。Dai等[43]利用小梁網(wǎng)經(jīng)角膜緣激光光凝術(shù)誘導(dǎo)創(chuàng)建了另一種SD青光眼模型大鼠，該模型大鼠表現(xiàn)出與人相似的高眼壓(IOP)，隨著IOP升高， RGC中ROS的產(chǎn)生和Drp1表達(dá)水平均顯著增加，導(dǎo)致線粒體發(fā)生裂變，影響了細(xì)胞內(nèi)新陳代謝速率，加速了RGCs的退行性病變。此外，在OPA1敲除的小鼠模型中，RGC 中的線粒體裂變增加[44-45]。Hu等[46]將腺相關(guān)病毒2型-OPA1注入高IOP青光眼模型大鼠的玻璃體內(nèi)，結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)染OPA1的大鼠視神經(jīng) RGC的線粒體融合增加，表面積增大，這表明線粒體融合蛋白OPA1表達(dá)升高促進(jìn)線粒體融合可明顯改善青光眼視網(wǎng)膜損傷。Kim等[47]研究通過青光眼D2模型鼠以及體外培養(yǎng)RGC發(fā)現(xiàn)， 高表達(dá)的Drp1通過促進(jìn)線粒體裂變參與氧化應(yīng)激通路的調(diào)控；此外，線粒體融合蛋白Mfn1和 Mfn2表達(dá)增加能夠維持青光眼D2小鼠膠質(zhì)層中線粒體的完整性來保護(hù)RGC軸突。

總之，青光眼神經(jīng)變性病理過程中存在一個惡性循環(huán)，IOP升高產(chǎn)生氧化應(yīng)激，氧化應(yīng)激導(dǎo)致線粒體裂變和功能障礙，產(chǎn)生進(jìn)一步的氧化應(yīng)激。因此，青光眼的發(fā)生與線粒體的融合-裂變密切相關(guān)，深入了解線粒體動力學(xué)的調(diào)控機(jī)制，對未來青光眼的防治提供更多的選擇。

3.3 線粒體融合和裂變與AMDAMD是一種影響視網(wǎng)膜中央部位黃斑的神經(jīng)退行性疾病，是發(fā)達(dá)國家老年人群中最常見的致盲性疾病[48]。AMD與多種環(huán)境和遺傳因素有關(guān)，其中年齡是較強(qiáng)的危險(xiǎn)因素[49]。近年來，多項(xiàng)研究證實(shí)，視網(wǎng)膜色素上皮(RPE)功能障礙在AMD的發(fā)生發(fā)展中起著重要作用，生理狀態(tài)下，RPE通過其上層與光感受器相互作用，下層與玻璃膜(Bruch膜)和脈絡(luò)膜毛細(xì)血管相互作用，保持光感受器功能正常運(yùn)行[50]。而隨著年齡的增長和環(huán)境壓力的累積，RPE 因功能失調(diào)而發(fā)生凋亡，這種病理學(xué)改變在AMD發(fā)生發(fā)展中起著核心作用[50-51]。然而，有研究發(fā)現(xiàn)， AMD患者中 RPE細(xì)胞的mtDNA 損傷水平顯著增加[52]。因此，RPE細(xì)胞中的線粒體功能障礙可能是AMD 發(fā)生的始動因素，發(fā)生在患者視力喪失之前[53]。隨著年齡的增加，AMD患者中，自由基清除系統(tǒng)能力下降、DNA修復(fù)機(jī)制受損等因素均會導(dǎo)致線粒體損傷。若線粒體不能通過自身的融合/裂變清除受損線粒體，一旦融合/裂變比例失衡，可能導(dǎo)致線粒體功能障礙。因此， 維持RPE細(xì)胞中線粒體的動力學(xué)穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要[53]。

研究發(fā)現(xiàn)，AMD患者的RPE細(xì)胞中線粒體裂變增多[54]，隨后，為了研究抑制線粒體裂變對人RPE細(xì)胞(ARPE-19)氧化應(yīng)激的影響，采用H2O2處理ARPE-19細(xì)胞導(dǎo)致線粒體裂變增多后，再使用線粒體裂變抑制劑1 (Mdivi-1)處理，結(jié)果顯示，經(jīng)Mdivi-1治療后的細(xì)胞線粒體功能有所改善，細(xì)胞活力明顯提高[55]。另一項(xiàng)研究顯示，在誘導(dǎo)的損傷模型中，線粒體融合相關(guān)蛋白OPA1水平顯著降低，而線粒體裂變蛋白Drp1水平明顯升高，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡加重[56]。上述研究均發(fā)現(xiàn)，線粒體裂變的增加會導(dǎo)致細(xì)胞凋亡發(fā)生，這提示線粒體動力學(xué)失衡會嚴(yán)重影響細(xì)胞存活率和生存質(zhì)量。然而，有研究發(fā)現(xiàn)，在小鼠應(yīng)激模型中，腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)通過增加線粒體裂變和線粒體自噬對光感受器和RPE均具有保護(hù)作用[57]。此外，Wang等[58]觀察到在小鼠RPE中線粒體鐵蛋白(FtMt)隨年齡增加而增加，同時FtMt表達(dá)增加會誘導(dǎo)線粒體裂變，引起線粒體片段化，并誘導(dǎo)線粒體自噬，從而保護(hù)RPE細(xì)胞。

總之，線粒體動力學(xué)的調(diào)節(jié)能恢復(fù)線粒體的正常運(yùn)行機(jī)制，誘導(dǎo)線粒體自噬清除受損的線粒體，在一定程度上會緩解因線粒體動力學(xué)異常而導(dǎo)致的線粒體功能障礙。因此，深入了解AMD發(fā)病機(jī)制中線粒體功能障礙的發(fā)生發(fā)展可能會促進(jìn)其治療的進(jìn)展，但線粒體動力學(xué)調(diào)控和線粒體自噬選擇性降解機(jī)制的具體調(diào)控仍需要不斷探索。

3.4 線粒體融合和裂變與DRDR是糖尿病最具破壞性的并發(fā)癥之一，是年輕人群失明的主要原因。作為一種普遍存在的微血管并發(fā)癥，其特點(diǎn)是血-視網(wǎng)膜屏障的破壞[59]，伴隨著血管內(nèi)皮細(xì)胞和周細(xì)胞的脫落，內(nèi)皮細(xì)胞基底膜增厚，血管滲漏,血管外的脂質(zhì)和蛋白質(zhì)沉積[60]。近年來，有研究發(fā)現(xiàn)，在DR患者RPE細(xì)胞中，隨著線粒體裂變增多，線粒體的尺寸變小，從而使線粒體DNA穩(wěn)定性下降，而線粒體形態(tài)的變化會影響線粒體功能；線粒體融合相關(guān)蛋白表達(dá)下降，裂變相關(guān)蛋白表達(dá)升高[61]，這提示線粒體動力學(xué)異?？赡茉贒R的發(fā)病機(jī)制中起著至關(guān)重要的作用。

研究發(fā)現(xiàn)，在DR患者的視網(wǎng)膜樣本、糖尿病大鼠的視網(wǎng)膜和高糖誘導(dǎo)的細(xì)胞模型中的線粒體融合和裂變基因的表達(dá)異常，提示RPE細(xì)胞內(nèi)線粒體動力學(xué)失衡可能參與DR的發(fā)生發(fā)展[62-63]。Kim等[61]研究發(fā)現(xiàn)，RPE中融合蛋白Mfn2表達(dá)增加可以預(yù)防由高血糖引起的線粒體結(jié)構(gòu)改變和功能障礙，抑制葡萄糖誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡，進(jìn)而減緩DR的進(jìn)展。此外，也有研究將大鼠RPE分別采用正常培養(yǎng)基和高糖培養(yǎng)基培養(yǎng)，再通過轉(zhuǎn)染Fis1 siRNA或Drp1 siRNA進(jìn)行靶向干預(yù)，后續(xù)通過一系列分子生物學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，隨著線粒體裂變減少，促凋亡蛋白Bax表達(dá)減少，抑制高糖誘導(dǎo)的線粒體裂變增加可以保持線粒體形態(tài)，并防止與DR相關(guān)的RPE凋亡。另外，有研究還對比了年齡匹配的非糖尿病對照組的眼球和DR患者的視網(wǎng)膜之間線粒體融合和裂變分子之間的表達(dá)變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，融合蛋白Mfn2水平在DR患者的視網(wǎng)膜樣本中降低，而且，同型半胱氨酸能夠下調(diào)Mfn2表達(dá)，減少線粒體融合，同時也減弱線粒體自噬，使DR的患病風(fēng)險(xiǎn)顯著增加[64]。褪黑素是一種強(qiáng)抗氧化劑，可以清除多種氧自由基，并激活其他抗氧化酶。有研究發(fā)現(xiàn)，褪黑素能夠防止線粒體裂變引起的氧化應(yīng)激[65-66]，并通過上調(diào)線粒體融合逆轉(zhuǎn)線粒體損傷[67]。為觀察褪黑素對視網(wǎng)膜的影響，Chang等[68]通過給予鏈脲霉素誘導(dǎo)的1型糖尿病小鼠口服褪黑素，結(jié)果表明，褪黑素不僅能夠抑制線粒體裂變蛋白Drp1表達(dá)，而且參與調(diào)控線粒體自噬來維持線粒體質(zhì)量，從而減少細(xì)胞凋亡。因此，褪黑素能夠預(yù)防和治療高血糖引起的體內(nèi)模型和體外模型線粒體動力學(xué)異常，發(fā)揮神經(jīng)視網(wǎng)膜的保護(hù)作用。

總之，線粒體動力學(xué)異常參與調(diào)控多種體內(nèi)外DR疾病模型的形成過程，為DR 病理生理學(xué)機(jī)制提供了新見解。因此，未來針對融合和裂變分子靶向的研究有望阻止DR的發(fā)生發(fā)展，為早期治療提供新策略。

4 小結(jié)

隨著社會老齡化現(xiàn)狀的加劇，亟需有效的方法預(yù)防或延緩如ARC、青光眼、AMD和DR等眼科疾病的發(fā)生發(fā)展。隨著年齡的增加，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)的線粒體質(zhì)量降低時，受影響細(xì)胞中線粒體動力學(xué)的平衡就會被打破，導(dǎo)致線粒體融合或裂變，進(jìn)而誘發(fā)多種眼部疾病的發(fā)生發(fā)展。因此，深入探究線粒體動力學(xué)異常在各種眼部疾病中的作用至關(guān)重要。但是，目前對維持線粒體質(zhì)量控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的分子機(jī)制及其如何影響疾病的了解仍處于起步階段，所以，深入挖掘線粒體動力學(xué)異常的生物學(xué)標(biāo)志，在動物模型中進(jìn)行干預(yù)驗(yàn)證，結(jié)合線粒體自噬進(jìn)一步維持線粒體的質(zhì)量，或許將為延緩眼部疾病的早期發(fā)生和發(fā)展提供新的治療選擇和研究方向。