线粒体途径ROS公司衰老通过线粒体通透性转换孔

总结

介绍

正如自由基衰老理论（FRTA；Harman，1956; 索哈尔和艾伦，1985; 贝克曼和艾姆斯，1998; 巴哈，2014). 由于大多数活性氧物种是在线粒体（mROS）中生成的，与线粒体DNA和线粒体氧化磷酸化系统非常接近，因此有人认为线粒体DNA、线粒体蛋白质和磷脂的氧化损伤是衰老的直接原因，并决定寿命（Harman，1972). 这种更为特异的FRTA被命名为线粒体自由基老化理论（mFRTA；Barja，2014; 戴等.,2014). 支持mFRTA的证据广泛（在Dai中审查等.,2014). 例如，线粒体DNA突变在聚合酶G缺陷小鼠中的积累加速了心脏衰老，而线粒体中特异性表达的过氧化氢酶可以缓解这种情况（Dai等.,2010)而在野生型中，过氧化氢酶的过度表达，特别是在线粒体中，延长了小鼠的寿命（Dai等.,2017). 正如mFRTA预测的那样，脊椎动物恒温动物的最大寿命与mROS产生量呈负相关（Lambert等.,2007). 此外，许多年龄依赖性退行性疾病似乎是由mROS的过量生产所驱动的（Dai等.,2014). 然而，最近的证据表明，正是其他细胞成分的氧化损伤，尤其是核DNA，在很大程度上决定了动物的衰老速度和寿命（Schaar等.,2015; 方等.,2016; 妈妈等.,2016). 核DNA的氧化损伤触发DNA损伤反应DDR，DDR诱导促凋亡信号（Nicolai等.,2015)和保护通道（方等.,2016; 太阳等.,2016)并导致有丝分裂细胞衰老（Campisi和Robert，2014). 其中最重要的保护途径是那些依赖PARP1诱导的途径，PARP1修复NAD中受损的DNA⁺依赖方式（Golia等.,2015)，以及诱导NAD依赖性脱乙酰酶、sirtuins（Merksamer等.,2013)特别是sirt 1（穆奇鲁德等.,2013 ;Imai&Guarente，2014 ;方等.,2016). 组蛋白去甲基化酶也有助于应激诱导保护（Merkwirth等.,2016). 此外，现在很明显，mROS或mROS诱导的线粒体损伤启动信号，激活保护线粒体免受压力、延缓衰老、抑制细胞死亡的几种途径，并可能导致寿命延长（太阳等.,2016; 德雅尔丹等.,2017). 线粒体sirtuins，尤其是sirt3，在保护线粒体方面至关重要（Ansari等.,2017). 保护途径包括线粒体未折叠蛋白反应（UPR（mt）），它可以增强线粒体内环境稳定（Pellegrino等.,2013; 田等.,2016)和nrf2抗氧化反应，保护mROS诱导的线粒体损伤和细胞死亡（Strom等.,2016). 受损的线粒体诱导PINK1/Parkin通路，该通路启动有丝分裂，清除受损的线粒体（Durcan&Fon，2015)并刺激PGC‐1α途径的诱导，以启动线粒体生物生成并替换受损的线粒体（Austin&St‐Pierre，2012). 尽管小鼠的核和细胞受到中度氧化损伤（Pérez等.,2009)显然是因为中度氧化损伤诱导DDR足以保护细胞。相比之下，SOD1基因敲除导致DNA更广泛的氧化损伤，确实显著缩短了寿命（Pérez等.,2009). 最近有人提出，SOD1基因敲除对寿命的影响是由于广泛的核DNA损伤导致大量细胞衰老所致（张等.,2017). 在再生组织、祖细胞和干细胞中，与衰老相关的线粒体应激，尤其是过量的mROS也会导致衰老（齐格勒等.,2015). 衰老细胞可以释放导致炎症的炎症因子（Campisi&Robert，2014). 慢性炎症与衰老相关，并导致许多与年龄相关的疾病，是寿命的重要决定因素（德马提尼丝等.,2005). 因此，即使生物体衰老、退行性疾病或寿命在很大程度上取决于衰老，而不是有丝分裂后细胞的衰老和死亡（许多人认为），线粒体应激似乎也是这些过程的驱动力。

线粒体通透性转换孔（mPTP）是一种内膜蛋白复合体，可以被诱导形成非选择性通道。该通道是电压门控的，由基质钙超载和活性氧物种（ROS）激活，并由一些相关蛋白质和翻译后修饰以及离子与这些蛋白质和通道本身的结合（Bernardi等.,2006). 通道显示出几种导电状态，可以短（ms）或长（s）周期打开，并且具有不同的渗透率（Biasuto等.,2016). mPTP的完全开放导致mROS的生成增加，并释放大多数基质代谢物（高达1500 kDa），包括mROS、钙、NAD⁺和谷胱甘肽。因此，线粒体膜电位崩溃，氧化磷酸化和线粒体新陈代谢受到抑制，基质膨胀，随着时间的延长，外膜破裂，释放膜间蛋白。此外，ROS、钙、NAD释放到胞浆⁺谷胱甘肽和其他代谢物破坏细胞内环境稳定，增加蛋白质、核DNA、离子通道、转运蛋白和膜磷脂（Bernardi等.,2006; 佐罗夫等.,2014). 细胞中大量线粒体的长时间孔隙开放可通过坏死或类似途径导致细胞死亡（Di Lisa等.,2001; 彼得罗尼利等.,2001; 基姆等.,2003; 瓦西瓦等.,2012; 侯等.,2016; 伊佐等.,2016). 一些线粒体蛋白被发现可以控制孔的开放，包括亲环素D（CypD）、腺嘌呤核苷酸转运体（ANT）、外膜阴离子通道（VDAC）和磷酸转运体，这些蛋白一起或以各种组合被建议形成mPTP（比照Bernardi等.,2006). 然而，最近的研究，尤其是这些蛋白的敲除模型表明，并非所有这些蛋白都是mPTP活性所必需的。最近，有人提出mPTP的传导核心是ATP合成酶（Alavian等.,2014; 博诺拉等.,2015)，但似乎更可能是大ATP合成酶（FoF1）二聚体形成替代结构，构成mPTP的传导核心（Bernardi等.,2015 )然而，孔隙组分的准确身份尚未阐明（比亚苏托等.,2016; 伊佐等.,2016). 不能排除的是，除了开孔所需的核心传导结构外，在某些条件下或某些类型的电池中还存在包括额外成分的几种替代结构。

mPTP的频繁和长时间开放，以及与之相关的mROS爆发，可能会压倒细胞的抗氧化系统，导致广泛的DNA损伤。因此，PARP1活性显著增强导致其底物NAD浓度下降⁺，因为NAD⁺也是sirtuins催化的脱乙酰化反应所必需的，平衡从sirtuin依赖的保护机制转移到促凋亡途径（Gomes等.,2013; Imai&Guarente，2014; 方等.,2016). 此外，因为NAD⁺当mPTP被激活时，线粒体基质被CD38水解等.,2001)线粒体sirtuins，特别是sirt 3（Brown等.,2013)，也会减少。这种依赖mPTP的NAD水解⁺直接导致细胞NAD的丢失⁺线粒体产生较温和的活性氧可能不会导致强烈的促凋亡信号，但足以触发调节细胞过程并保护线粒体和细胞免受损伤的各种机制（Patterson等.,2015; Reczek&Chandel，2015; Wei和Kenyon，2016)，而不会造成不分青红皂白的氧化损伤。这种活性氧的形成主要由抗氧化系统控制（Forkink等.,2015; 荒木经惟等.,2016). 当超过其容量时，增加的氧化应激激活mPTP。虽然mPTP的短暂、罕见的开放也会触发保护性通路（Hou等.,2014年a)增加mPTP的频率和持续时间与更持久的氧化损伤相关，可能导致衰老甚至细胞死亡。mROS对线粒体基质蛋白、DNA和磷脂的损伤导致氧化磷酸化受到抑制，mROS的生成进一步增加（Barja，2014; 戴等.,2014; 佐罗夫等.,2014). 然而，这种损伤虽然范围广泛，但可以通过许多保护线粒体并用新线粒体替换受损线粒体的机制来部分缓解。相比之下，有丝分裂后细胞中细胞溶质酶、钙转运蛋白和核DNA的氧化损伤更具累积性，增加细胞老化，最终导致细胞死亡（Schaar等.,2015; 方等.,2016). 虽然可以替代受损细胞的干细胞正在成为健康衰老的重要因素（Goodell和Rando，2015)他们还受到老化引起的线粒体功能障碍的限制（闵文等.,2016). mPTP开放介导干细胞的毒性损伤（王等.,2015; 陈等.,2016)，抑制祖细胞增殖（Hou等.,2014年b)并抑制肝脏再生（安东尼等.,2016). 抑制mROS生成和mPTP激活的Sirt3对干细胞增殖至关重要（Shin等.,2015)因此，sirt3在衰老过程中的抑制作用（棕色等.,2013)以及底物NAD的消耗⁺干细胞（张等.,2016)预计可增强衰老干细胞中mPTP的活化并抑制增殖。这也可能会推动老化诱导的增殖细胞向衰老细胞的转化（Campisi&Robert，2014). 这一过程是由过量的mROS和几个额外的线粒体功能障碍驱动因素（例如，钙超载、膜电位丧失；齐格勒等.,2015)，表明这种作用也是由mPTP介导的。

由于很难将mROS的保护作用与其有害作用区分开来，因此FRTA的概念尚未被广泛接受（参见Lapointe和Hekimi，2010; 斯图亚特等.,2014). 相反，一种共识正在形成，即mROS诱导的保护途径和细胞损伤诱导的凋亡途径之间的平衡以某种方式整合在线粒体中，以决定衰老的进程和最终的细胞死亡（Wang和Hekimi，2015; 博拉和莱泰，2016; 闽文等.,2016; 里埃拉等.,2016; 太阳等.,2016). 在这里，我们建议将这些对比信号集成在mPTP的水平上，mPTP在很大程度上决定了老化速度，并通过孔隙开口的频率和持续时间最终决定寿命。如图所示1.

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图1

百万分之五十保护信号和凋亡信号的整合决定了细胞老化的速度。在幼小动物的细胞中百万分之五十是罕见的，并且大多数与新陈代谢相关的增加mROS细胞生产诱因微放射性核素向细胞核发出信号，主要通过AQP公司8（从线粒体到细胞核的绿色箭头），激活DNA损伤响应(DDR公司)触发的PARP项目1和许多线粒体保护途径（从细胞核到线粒体的绿色箭头），如抗氧化防御（Nrf2）、线粒体未折叠蛋白反应(UPR（不间断电源）mt）和sirtuins（例如，Sirt1、Sirt3），所有这些都抑制百万分之五十直接和间接地防止百万分之五十然而，随着时间的推移百万分之五十（红色箭头）破坏线粒体电子转运复合体和钙转运蛋白，特别是在急诊室，导致增加微放射性核素产生和线粒体钙超载，进一步增强百万分之五十打开。此外微放射性核素由百万分之一也会增加核的氧化损伤DNA导致促凋亡信号增加（从细胞核到线粒体的红色箭头），诱导P53、p66sch和其他促凋亡蛋白转移到线粒体，并在线粒体中增强百万分之五十打开。随着年龄的增长百万分之五十开放也会消耗线粒体北美 ⁺，抑制Sirt3的保护作用并进一步刺激百万分之五十打开。最后，核的氧化损伤增加DNA增加PARP项目1导致核的活动北美 ⁺耗竭，抑制核sirtuins（如Sirt1），削弱线粒体保护途径并进一步增强百万分之五十激活。这种循环持续下去，导致时间更长、频率更高百万分之五十激活事件、越来越弱的保护信号和越来越强的促凋亡信号，最终导致不可逆转的百万分之五十线粒体肿胀、外膜破裂和细胞死亡。这个微放射性核素增强的破坏性影响百万分之五十激活为红色微放射性核素信号和保护路径为绿色（更多详细信息请参阅正文）。

mPTP是衰老驱动因素的假设可以被视为对mFRTA的改进，因为有人提出，线粒体本身的氧化损伤大多是由mPTP的激活引起的，而“线粒体功能障碍”和mROS对衰老和寿命的大多数影响是通过mPTP激活介导的。通过控制细胞NAD的消耗⁺以及强DDR、mPTP的诱导可以驱动有丝分裂后细胞的衰老和死亡以及有丝分裂细胞的衰老。此外，mPTP开放也可能介导mROS驱动的炎症（Rimessi等.,2016)，因为NPLR3炎症小体的形成似乎依赖于mPTP的开放（村上春树等.,2012; Iyer公司等.,2013)并且发现mPTP的慢性激活（通过MICU1的缺失）可以延长肝脏切除术的促炎反应（安东尼等.,2016).

在这篇综述中，我们描述了mPTP在衰老和衰老驱动的退行性疾病中增强的证据，并讨论了衰老增强mPTP激活的机制以及mPTP驱动衰老过程的机制。

mPTP活化随着年龄增长而增强，在依赖年龄的退行性疾病中

二十年前，我们首次报道了老年小鼠淋巴细胞中mPTP的激活增强（Rottenberg&Wu，1997). 在这些淋巴细胞中，线粒体膜电位和呼吸速率低于年轻小鼠，但可通过mPTP抑制剂环孢霉素A恢复到正常值（见下文）。我们后来发现，大多数具有激活mPTP的淋巴细胞是记忆性T细胞（Mather&Rottenberg，2002). 另据报道，老年小鼠中钙诱导的分离的肝线粒体肿胀（mPTP延长开放后）比年轻小鼠更快（Goodell&Cortopassi，1998). 类似地，在老年小鼠肝和脑的分离线粒体中，钙诱导的钙释放（CICR）是由钙诱导的mPTP开放引起的，与年轻小鼠线粒体中的钙相比，钙含量较低可以触发CICR（Mather&Rottenberg，2000). 据报道，衰老也会损害大鼠心脏线粒体的钙负荷（贾汉吉尔等.,2001). 这些早期观察结果表明，小鼠和大鼠的一些组织中的mPTP活化随着衰老而增强。事实上，最近，更多的研究人员在人类、小鼠、大鼠的不同组织中报告了类似的观察结果，秀丽线虫和真菌。其中一些研究已经过回顾，并讨论了mPTP在衰老中的可能作用（Crompton，2004; 迪丽莎和伯纳迪，2005; 番茄和菲斯克姆，2011; 帕拉迪斯等.,2013). 不同生物体、不同组织的线粒体之间的mPTP特性和老化效应存在差异（参见Mather和Rottenberg，2000)同一组织中不同类型的细胞（参见LaFrance等.,2005; 班布里克等.,2006; 皮卡德等.,2011; 洛雷斯·阿奈兹等.,2016)，甚至在细胞中不同位置的线粒体之间（Brown等.,2006). 这种差异可能是由于控制mPTP激活的蛋白质（如ANT1（Stepien等.,1992)、CyPD（Hazelton）等.,2009)MCU复合体（Paillard等.,2017)，可能还有其他蛋白质。然而，有强有力的证据表明，在对衰老起作用的细胞线粒体中（例如，纤维内心脏线粒体、大脑皮层突触线粒体），mPTP的激活随着衰老而增强。表中提供了不同组织和生物体中老化增强mPTP激活的证据样本1.

大多数证明老年动物mPTP激活增强的研究都是用分离的线粒体或细胞悬浮液进行的，不允许在原位观察离散的单个mPTP开放事件。此外，使用一种特定的分析方法，例如钙诱导的mPTP激活（CICR），仅测量mPTP的一个属性，即钙阈值，可能不会反映mPTP对开放敏感性的其他重要变化（例如，对氧化剂的敏感性、膜电位阈值）。此外，作为对照，大多数分析都依赖于环孢霉素，它通过CypD抑制mPTP的激活（见下文）。然而，环孢素只是mPTP的部分抑制剂（诺夫哥罗多夫等.,1992). 有几种技术有助于测量活细胞中的mPTP激活（参见Bonora等.,2016)在未来研究衰老与mPTP之间的关系时，应优先考虑这些因素。最近对“丝裂原闪烁”现象的研究，这是通过荧光显微镜在单个细胞中观察到的，被解释为mPTP的短开口（Wang等.,2008,2016年a; 侯等.,2013,2014年b; 吴等.,2016)可能提供了一种更好的方法来直接关联mPTP开放的频率和持续时间与衰老的进展。尽管对线粒体定向荧光探针cpYFP信号的解释存在争议（Schwarzlander等.,2014; 王等.,2016年a,b条)毫无疑问，这些和其他有丝分裂与mPTP开放有关。最近的一项研究秀丽线虫利用cpYFP，证明mPTP开放的频率依赖于年龄（沈等.,2014).

有许多报告表明，mPTP在衰老依赖性退行性疾病中被激活，并对其病理学有贡献（在Paradies中进行了综述等.,2013). 事实上，氧化还原应激是大多数衰老依赖性退行性疾病的主要驱动因素（参见Dai等.,2014). mPTP开放在缺血性心脏损伤（下文讨论）中起着重要作用，也会导致其他老年依赖性心脏病（祖莲等.,2016)、糖尿病（Riojas‐Hernandez等.,2015)以及多种神经退行性疾病（Martin，2012). 表中列出了mPTP在老年依赖性退行性疾病中作用的证据样本2mPTP的抑制减缓了许多衰老依赖性退行性疾病的进展（表2)支持mPTP开放加速衰老的结论（见下文）。由于疾病病理取决于特定类型细胞的死亡（例如帕金森氏病），mPTP在氧化应激诱导的细胞死亡中的关键作用赋予了mPTP开放在该疾病病理中的决定性作用。此外，体育锻炼对改善健康和防止年龄依赖性疾病的影响，这在很大程度上取决于PGC‐1α对线粒体生物生成的激活（Austin&St‐Pierre，2012)，表明可抑制mPTP（比照Marcil等.,2006; 贡萨尔维斯等.,2016). 目前尚不清楚mPTP是否存在退行性疾病特异性调节。

衰老也是致癌的最重要风险因素，与衰老相关的过量mROS似乎在这一过程中起着主要作用（Park等.,2011). 与衰老相关的DNA突变的增加可能驱动了老年人癌症的演变（Hanahan&Weinberg，2011). 然而，一旦突变细胞转化为肿瘤表型，其抗凋亡信号能力就会被大大激活，mPTP对钙和ROS的激活产生抵抗力（Rasola和Bernardi，2014; 波诺拉和平顿，2014). 这就是抗癌干预面临的难题：为了预防癌症，在体内任何细胞转化为癌细胞之前抑制mPTP应该是有帮助的，但为了杀死已经转化为肿瘤表型的细胞，有必要激活mPTP。下面，我们将讨论mPTP开放如何加速衰老，以及衰老如何反过来加速mPTP激活。

mPTP开放对年龄依赖性NAD耗竭起着关键作用，而NAD耗损又进一步增强了mPTP的激活

如上所述，衰老细胞中mPTP的频繁和长时间开放导致细胞NAD的衰老依赖性耗竭⁺通过释放基质NAD⁺以及线粒体NAD酶CD38对其的水解作用，如心肌细胞缺血再灌注后所观察到的（Di Lisa等.,2001). 此外，在心肌细胞中，mPTP开放释放的mROS诱导NAD⁺PARP1激活导致的耗竭，这延长了mPTP的开放，导致进一步的损伤和NAD⁺耗尽（Schriewer等.,2013). 研究还表明，在皮层神经元中，NAD的耗竭⁺在缺氧和/或葡萄糖缺乏期间，依赖于mPTP的开放和PARP的激活（Kahraman等.,2015). 最近的研究表明，与年龄相关的NAD⁺衰老对细胞NAD的影响是CD38表达和活性随年龄增长而增加，这在很大程度上是导致CD38耗竭的原因⁺CD38基因敲除小鼠（Camacho‐Pereira等.,2016). 虽然CD38的大部分位于细胞表面，但已经发现一部分位于线粒体和细胞核（Di Lisa等.,2001; 卡马乔-佩雷拉等.,2016). 这一发现支持了NAD水解⁺mPTP开放后线粒体CD38对衰老诱导的细胞NAD耗竭起关键作用⁺CD38的表达增加可能是由于衰老诱导的慢性炎症（Lee等.,2012)，这也部分取决于mPTP的激活。也许与细胞NAD的减少同样重要⁺是NAD损失的直接影响⁺在mPTP开放期间从线粒体基质中分离。NAD的公里数⁺线粒体sirt 3和sirt 5的含量比核sirtuins高一个数量级，与NAD的基质浓度范围相同⁺3-5米米（坎托等.,2015). 这表明即使NAD损失不大⁺线粒体基质中的sirtuins可降低线粒体的活性，从而抑制这些sirtuis对氧化应激和mPTP活化的保护作用（见下文）。

过量的mROS从线粒体进入胞浆可能依赖于mPTP的开放

近年来，人们对不同代谢条件下线粒体活性氧生成的位置、机制和速率有了很多了解（Figueira等.,2013; 佐罗夫等.,2014; 贡萨尔维斯等.,2015品牌，2016)，很少有人致力于阐明mROS离开线粒体到达胞浆的途径。人们普遍认为，线粒体内膜对所有离子和小溶质都是不可渗透的，除了可以溶解在磷脂膜中的非常亲脂性的分子。虽然线粒体基质中形成了许多活性氧和RNS，但已知只有少数反应性物种被转运出线粒体。从数量上看，最重要的是H₂O（运行）₂和超氧化物。H（H）₂O（运行）₂是一种极性很高的分子（D=84.2），而超氧物既有极性又带电荷，这两者都不容易渗透磷脂膜。mPTP可渗透至所有小于~1500 kDa的溶质，因此可渗透至全部ROS和RNS。唯一运输活性氧的内膜通道是水通道蛋白8（AQP8），它可以运输H₂O（运行）₂（比内特和乔蒙，2014; 乔维涅等.,2015). 关于mPTP和AQP8对H的相对贡献知之甚少₂O（运行）₂很可能在年轻细胞中，AQP8介导的扩散是主要途径。然而，随着mPTP开放的频率随着年龄的增长而增加，mPTP的贡献可能变得更加显著。最近有报道称，氧化应激抑制H的转运₂O（运行）₂通过AQP8（Medrano‐Fernandez等.,2016)这表明，在老化细胞中，大多数基质产生H₂O（运行）₂通过mPTP释放。这一建议与AQP8消融增强mPTP活性的观察结果相一致（马尔基西奥等.,2012; 乔维涅等.,2015). AQP8释放H₂O（运行）₂进入线粒体膜间隙（IMS），在那里直接产生额外的线粒体超氧化物（Brand，2016). 膜间隙中的大多数超氧物被氧化的细胞色素所消耗c（c）（赵等.,2003)一些被转换成H₂O（运行）₂SOD1。研究表明，外膜阴离子通道VDAC释放出IMS中复合物III产生的超氧物（Han等.,2003)这大概也适用于H₂O（运行）₂和其他ROS/RNS物种，因为VDAC还允许高达约1500 kDa的溶质运输（Shoshan‐Barmatz等.,2010). 当VDAC抑制剂DDI抑制基质产生的超氧物从分离的线粒体（Lustgarten等.,2012). 尽管mPTP开放不需要VDAC（贝恩斯等.,2007)有许多关于VDAC参与mPTP开业的报道（参见托马塞洛等.,2009; 侯等.,2016). VDAC可能与mPTP结合，形成从基质到胞浆的连续孔。如果mPTP可以直接开放到细胞溶质或膜内空间，这取决于环境，它将允许对mPTP开放的结果进行额外的控制。

在老化细胞中，mPTP的开放增强了mROS的生成，进而进一步增强了mPTP激活

mROS的过量生产触发了mPTP的开启（Bernardi等.,2006)毫无疑问，老化会增加mROS的生成（Barja，2014; 戴等.,2014). 抑制电子传递可导致配合物I、II和III增加ROS的生成（参见Forkink等.,2015). 因此，随着年龄的增长，mROS生成量增加是由于电子传递复合物和/或mtDNA的氧化损伤，mtDNA编码复合物I、III和IV的核心肽，导致产生缺陷的ROS生成复合物。后一个过程被认为是创造一个“恶性循环”，导致随着年龄的增长，电子传输复合物越来越受损（Dai等.,2014). 此外，还可能出现其他的“恶性循环”，即mPTP诱导的mROS生成随年龄增长而增强（Zorov等.,2014)，主要由复合体I（Batandier等.,2004)和克雷布斯循环酶（邦克等.,2016)导致老化细胞（竹山等.,1993). 此外，最近的证据表明，如上文所述，mROS诱导的保护性信号在衰老细胞中受到抑制，主要是由于NAD缺乏。因此，这种保护作用的年龄依赖性降低可能是mROS过度产生的另一个原因，导致衰老细胞中OX PHOS酶和mtDNA的持续损伤。虽然许多研究人员报告了老化细胞线粒体电子传递的抑制，但应该强调的是，这一观察结果是否仅仅反映了mPTP（抑制电子传递）的激活增强，并不总是很清楚。在老年小鼠的淋巴细胞中，电子传递速率受到抑制，但通过添加环孢霉素A（Rottenberg&Wu，1997). 因此，在这种情况下，至少老化不会导致电子传递的抑制，而明显的抑制只是mPTP活化增强的结果。

大多数已知的控制mPTP开放的蛋白质和形成孔隙本身的蛋白质复合物（可能是ATP合成酶）携带-SH基团，其中一些基团在老龄动物中被氧化（塔杰丁、，2016)随着基质氧化还原平衡向更氧化状态转变（Dan Dunn等人。，2015，锡耶斯等.,2017). 然而，尚不清楚这些巯基位点中的哪一个控制mPTP的活性。由于mROS也会对膜磷脂造成氧化损伤，有人认为氧化磷脂，特别是氧化心磷脂，会激活mPTP（Petrosillo）等.,2006). 事实上，有人认为膜磷脂的氧化对衰老的进展至关重要（潘普洛纳，2008; 可能通过激活mPTP）。此外，氧化应激触发了增强mPTP活化的蛋白质的转移，如P53，它被转运到线粒体基质或P66Shc，后者被转运到其细胞色素所在的线粒体膜间空间c（c）依赖活性氧的产生反过来激活了mPTP（萨维诺等.,2013; 普里亚米等.,2015; 迪丽莎等.,2017). 此外，氧化吡啶核苷酸也激活mPTP（Chernyak和Bernardi，1996; 龙基等.,2015)氧化应激表现为吡啶核苷酸（Sies等.,2017). 总之，氧化应激增加了衰老细胞（Dai等.,2014)，通过多种机制增强mPTP的开放性，反过来，mPTP激活的增强又进一步增强了mPTP开放性。

衰老过程中钙稳态的破坏增加了钙触发mPTP开放的频率

线粒体的钙超载是mPTP开放的重要触发因素（Bernardi等.,2006; 塔杰丁，2016; 赫斯特等.,2017). 钙单转运蛋白（MCU）介导的线粒体钙积累严重依赖于胞浆钙浓度的升高（参见Rottenberg和Marbach，1990; 安东尼等.,2016)，尽管通常位于受限的空间域，例如ER和线粒体外膜之间的空间域。众所周知，衰老会破坏钙稳态（参见蔡等.,1997; 马特森，2007)并可能破坏ER和线粒体之间的局部联系（Fernandez‐Sanz等.,2014). 虽然钙信号通路可能会被衰老以不同的方式调节，这取决于组织和细胞类型，但一般的观察结果是胞浆中的钙缓冲能力减弱（参见Tsai等.,1997; 甘特图等.,2015; 潘迪亚等.,2015)这可能导致线粒体钙积累增加。衰老对钙稳态的影响被认为主要是由于钙转运蛋白和通道的氧化损伤（cf.Andersson等.,2011; 库珀等.,2013)这增加了钙向胞浆的泄漏，增加了线粒体的钙超载。据报道，从内质网到线粒体的钙直接转移增加了基质的钙超限（Calvo‐Rodriguez等.,2016). 此外，衰老会下调钙缓冲蛋白regucalcin（Vaz等.,2015)和FKBP1b（甘特图等.,2015). MICU1是位于膜间空间的线粒体钙转运复合体的一个亚单位，控制MCU的开放。在正常条件下，MICU1将线粒体钙积累限制在高于正常静息细胞溶质钙范围的浓度，从而防止钙超载和mPTP的激活（安东尼等.,2016; 线路接口单元等.,2016). 据报道，另一种MCU亚单位MCUR1直接控制mPTP的钙依赖性激活（Chaudhuri等.,2016). 最近，有报道称，MCU本身在氧化应激下通过半胱氨酸97的S-谷氨酰化修饰，从而增强钙超载诱导的细胞死亡（Dong等.,2017). 在衰老细胞中，胞浆游离钙通常高于MICU1设定的钙摄取阈值，mPTP激活的钙阈值低于正常阈值（Mather&Rottenberg，2000：见表1); 因此，在衰老细胞中可能观察到更频繁的钙诱导mPTP开放。

衰老细胞线粒体膜电位和mPTP激活的电位阈值可能较低

mPTP是电压门控的，线粒体膜电位的降低增强了mPTP的激活（Bernardi，1992). 许多报告表明，老化细胞的线粒体膜电位较低（参见Sugrue和Tatton，2001). 氧化损伤可能是导致衰老细胞线粒体膜电位降低的最重要因素。众所周知，膜磷脂的氧化损伤会增加膜对离子的渗透性（参见Runas和Malmstadt，2015)有充分的证据表明，衰老会增加线粒体磷脂的氧化损伤（潘普洛纳，2008). 然而，随着mPTP开放破坏膜电位，一些报道的老化对膜电位的影响可能反映了老化增强mPTP活化的事实。在这些情况下，线粒体膜电位可以通过环孢霉素抑制mPTP而恢复（参见Rottenberg和Wu，1997). 老化也很可能降低mPTP开放的潜在阈值。最近研究表明，该阈值取决于腺嘌呤核苷酸转运体ANT1（Doczi等.,2016)ANT1过度表达抑制mPTP（Klumpe等.,2016). ANT对mPTP的抑制依赖于ADP将ANT锁定在其面向基质的M构型中（Rottenberg&Marbach，1990; 贝尔纳迪等.,2006). 这种效应是由于内膜基质表面的负表面电荷增加所致（Rottenberg&Marbach，1990)这与ANT确定mPTP激活电压阈值的建议相一致。GSK-3β也控制着mPTP，有人认为GSK-3α对ANT的磷酸化可能有助于mPTP的老化依赖性激活（Zhu等.,2013). 据报道，ANT在老化细胞中被氧化（Le Bras等.,2005)，并且据报道SH存在的氧化降低了mPTP打开的阈值（Petronilli等.,1994). 因此，衰老细胞中mPTP激活的潜在阈值很可能降低。

老化导致的亲环素D修饰介导了mPTP开放的增强

亲环素D（CypD）与mPTP复合物（推测为FoF1）相互作用，使mPTP敏化为ROS和Ca激活²⁺（伯纳迪等.,2006). 这种激活依赖于CypD（Basso）掩盖mPTP抑制性磷酸结合位点等.,2008). 已知调节mPTP的几种蛋白质以及CypD本身都会受到许多调节其活性的翻译后修饰。CypD的增加表达增强了mPTP（Lam）的激活等.,2015)基因敲除抑制mPTP（Shum等.,2016). 最近有报道称，CypD在老年小鼠（Gauba）大脑中的浓度增加等.,2017)仅此效应就应增强mPTP的开放性。在幼年动物中，由于许多翻译后修饰（Elrod和Molkentin，2013). CypD还与抑制蛋白如HSP90（人类TRAP1）相互作用，据报道，HSP90可聚集CypD（Lam等.,2015)并阻止其与活化蛋白（例如P53）和mPTP（Lebedev等.,2016). 在老化细胞中，UPRmt受到抑制，抑制HSP90的合成及其向基质的转运，而P53转运到基质以进一步增强CypD的活化（Vaseva等.,2012; 普里亚米等.,2015). 老化逆转了一些抑制CypD的翻译后修饰，从而产生更活跃的CypD。sirt3抑制赖氨酸残基的脱乙酰化（Hafner等.,2010)最有可能的是，衰老对CypD活性的最大影响是NAD的浓度⁺在老年动物中含量较低，如上文所述，它通过PARP1激活和mPTP开放而丢失。此外，老年动物体内sirt 3本身的浓度也较低（Kwon等.,2015). Sirt 3还抑制活性氧的生成，因此随着年龄的增长，Sirt 3的活性减弱会直接或间接地增强mPTP的激活（Brown等.,2013; Kincaid&Bossy‐Wetzel，2013; 安萨里等.,2017). 硫氧还蛋白/谷胱甘肽系统与CYPD上的SH基团处于平衡状态，因此老年动物中增加的氧化还原应激将氧化CYPD（Folda）的SH基等.,2016). 这可能是激活mPTP的氧化还原位点之一（Nguyen等.,2011). 人们还认为，在老龄动物中，GSK‐3β磷酸化CypD，从而进一步增强CypD活性（Zhu等.,2010,2013). 其他控制mPTP开放的蛋白质也可能通过与CypD的相互作用起作用，至少部分起作用。因此，据报道ANT与CYPD相互作用并控制mPTP的激活（Crompton等.,1988; 伍德菲尔德等.,1998). 环孢霉素A是mPTP（Crompton）最常用的抑制剂，可直接抑制CypD等.,1988). 不同生物体、组织和年龄的线粒体在环孢霉素抑制mPTP的程度上存在显著差异（参见Bambrick等.,2006; 线路接口单元等.,2011). 据观察，环孢素A不抑制老年动物（Garcia）心脏线粒体mPTP的ANT依赖性刺激等.,2009; 线路接口单元等.,2011). 如前所述，这可能反映了ANT对mPTP的独立激活。同样，在ADP存在的情况下，小鼠脑线粒体对钙的抵抗力更强²⁺诱导mPTP开放比肝线粒体开放，需要更多的钙来触发mPTP的开放（Mather&Rottenberg，2000). 因此，在大脑线粒体中，而不是在肝脏中，将ANT锁定在M构型足以强烈抑制mPTP。因此，在脑线粒体中，环孢霉素a仅略微增加钙²⁺负荷阈值（约20%），而在肝线粒体中，环孢素A在更大程度上增加了阈值（约400%；Mather&Rottenberg，2000). 在老年小鼠中，环孢素在肝脏和脑线粒体中的作用均大于年轻小鼠（25-30%），表明老年小鼠的大脑和肝脏中CypD更为活跃。由于衰老通常会减少抗凋亡途径并增加促凋亡途径，因此已知抑制mPTP的其他线粒体蛋白可能也会因衰老而减少；这些可能包括HSP75（王等.,2015)、HSP60和HSP90（TRAP1；Altieri，2013)由UPR（mt）和抗凋亡蛋白（如BCL-2和BCL-x）诱导_L（左）（乔纳斯等.,2014). 此外，据报道，越来越多的代谢物直接或间接控制mPTP，例如线粒体cAMP和环核苷酸磷酸二酯酶（CNP；Baburina等.,2015)，聚磷酸盐（Baev等.,2017)，精胺（魏等.,2016)、和H₂S（李等.,2015). 这些影响可能还受到年龄的调节。例如，据报道，衰老神经元中mPTP激活增强的部分原因是CNP活性降低和cAMP（Krestinina）增加等.,2015; 王等.,2016年a,b条).

随着年龄的增长，缺血再灌注（IRPC）的预处理作用大大减弱

缺血性心脏损伤（以及脑、肾和其他组织的缺血）主要是缺血后再灌注的结果。再灌注使细胞充满钙，从而触发大量mPTP开放，导致细胞广泛死亡（Bernardi和Di Lisa，2015). 衰老与血管损伤有关，血管损伤增加了老年人缺血的发生率，而mPTP的老化依赖性激活导致老年人缺血损伤增加（Petrosillo等.,2010). 在年轻人中，轻度缺血事件通过触发线粒体保护途径保护组织免受进一步的缺血损伤，这一过程称为缺血-再灌注预处理（IRPC）。线粒体保护途径可直接或间接增加mPTP对开放的抵抗力，尽管尚不清楚IRPC中哪种机制占主导地位（Bernardi和Di Lisa，2015; Halestrap&Richardson，2015). 老化会大大减弱IRPC（Boengler等.,2009; 费尔南德斯·桑兹等.,2015). 同样，环孢霉素A可保护年轻人免受缺血再灌注损伤，但对老年人则无保护作用（Liu等.,2011; 波特谢等.,2016). 研究表明，sirt3对CypD的脱乙酰化是IRPC（Bochaton等.,2015)由于NAD，这种保护作用在衰老细胞中消失⁺损耗，如上所述。然而，老年人IRPC的丢失似乎也由其他机制介导。一个建议是GSK-3β（Zhu等.,2013). 有氧运动还可诱导心肌细胞免受mPTP开放的保护（参见Marcil等.,2006; 卢米尼·奥利维拉等.,2011). 由于有氧运动的健康益处在很大程度上取决于减少缺血风险，并且mPTP的激活导致IR的损害，老年人心脏病风险的增加可能反映了mPTP依赖于年龄的激活。

通过突变和热量限制延长寿命很可能取决于直接或间接抑制mPTP开放的途径

事实上，在几种衰老动物模型中，可以通过实验延长寿命（例如。，秀丽线虫,果蝇属以及在许多情况下寿命延长似乎依赖于mROS信号的发现，如引言中所述，经常被引用为针对mFRTA的最有力证据。显然，在这些情况下，mROS在早期启动线粒体保护途径，从而延长寿命。线粒体保护途径总是会导致mPTP的抑制，无论是通过抑制mROS生成、增加抗氧化保护、增加线粒体吞噬和增加线粒体生物生成，还是通过直接抑制mPTP激活，如上所述。已经表明，通过热量限制的寿命延长与mPTP的抑制有关（参见Kristal&Yu，1998; 霍费尔等.,2009; 阿米戈等.,2017)通过基因操纵延长寿命通常与UPRmt的诱导有关（参见Bennett和Kaeberlein，2014; 普里亚姆等.,2014). 关于延长寿命的最新研究秀丽线虫通过生殖系丢失表明，在这种情况下，寿命延长依赖于两条独立的途径，其中一条是mROS依赖性（UPRmt），另一条不是（H₂S通路；Wei和Kenyon，2016). 然而，H₂S、 与UPRmt类似，也抑制mPTP（Li等.,2015). 在对大量秀丽线虫通过突变和环境操纵对寿命进行调节，结果表明，寿命与成年早期的“有丝分裂”频率呈负相关（Shen等.,2014). 如果人们接受“有丝分裂闪光”是mPTP打开的信号的解释（Wang等.,2016年a)可以认为，在所有这些情况下，寿命延长都是成年早期mPTP开放受到抑制的结果。二甲双胍是第一种被批准用于延缓人类衰老进程的临床试验药物，它能抑制mPTP（Guigas等.,2004; 巴姆拉等.,2008). 因此，在大多数（如果不是全部）延长动物寿命的操作中，mPTP可能直接或间接受到抑制。

结论

尽管半个多世纪以来，ROS一直被怀疑是衰老的驱动力，FRTA首先对此进行了合理化，最近mFRTA又对此进行了进一步的合理化，尽管ROS、衰老、与年龄相关的退行性疾病和寿命之间的联系被证明是牢固的，更难证明活性氧实际上推动了衰老的进程。最近发现，mROS信号触发了大量保护细胞，特别是线粒体免受氧化损伤、抑制mROS生成、延缓衰老甚至延长寿命的途径，这似乎与mFRTA直接矛盾。然而，由于mROS信号源于线粒体，并且由mROS触发的大多数保护途径都指向线粒体，因此很明显，衰老进程的控制必须存在于线粒体中。这些细胞器必须以某种方式，整合保护信号以及应激诱导的促凋亡信号，以确定衰老的进展。众所周知，氧化应激诱导的细胞死亡是由mPTP的大量开放所驱动的，但mPTP适度开放的累积效应尚未得到充分认识。回顾大量最近的研究表明，mPTP在衰老和与衰老相关的退行性疾病中增强，抑制mPTP可以减缓衰老和退行性病变，我们认为，mPTP本身是决定衰老进展速度的促凋亡信号和抗凋亡信号的难以捉摸的整合位点。虽然mPTP上游的许多过程（例如，氧化磷酸化、电子传递、mROS生成、线粒体抗氧化防御、有丝分裂、线粒体生物生成）也受到各种保护机制的影响，但这些上游过程很可能通过其对mPTP激活的影响在很大程度上影响衰老。关于mPTP的组成和结构、控制mPTP开放的机制、mPTP各种激活状态、释放的离子和代谢物的范围和类型，以及衰老进程如何影响这些过程，还有很多需要了解的内容。衰老到死亡的过程并不是所有动物都遵循一个统一的曲线（琼斯等.,2014). 动物的寿命可以由一个特定的关键器官（有丝分裂后或有丝分裂细胞）的衰竭决定，不同器官和不同类型细胞中mPTP的控制差异可能是物种之间的一些差异的原因。对衰老过程中mPTP控制的进一步研究可以为更好地理解长寿的决定因素打开大门。

基金

这项工作得到了NIH Grant AA018873对JB Hoek的支持。

利益冲突

两位作者均表示没有利益冲突。

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