神经退行性疾病中的线粒体动力学——融合、裂变、运动和有丝分裂

粒体自噬

自噬是细胞成分被吞噬到自噬体中而降解的过程。自噬体与溶酶体融合，溶酶体含有分解细胞成分的水解酶。在缺乏营养的过程中，这些产品可以被回收成更迫切需要的分子。尽管自噬在饥饿期间发挥着特别重要的作用，但它似乎也通过翻转细胞器和降解蛋白质聚集体在维持质量控制方面发挥着内务管理作用。线粒体吞噬是指线粒体通过自噬降解。尽管有丝分裂的存在已经有一段时间了，但线粒体是随机还是选择性地被靶向有丝分裂尚不清楚。

最近的几项发现表明，有丝分裂可以选择性地降解有缺陷的线粒体。在酵母细胞中，有丝吞噬是独立于大量自噬进行调节的(29)。肝细胞中被激光照射损伤的线粒体通过有丝分裂被选择性清除(30)。对胰腺β细胞和COS7细胞的研究表明，线粒体分裂可以产生不均匀的产物，一个去极化的子线粒体和一个超极化的线粒体(27)。这种去极化的线粒体不太可能融合，OPA1蛋白水平降低，最终成为自噬细胞。这种线粒体自噬依赖于融合的缺失和分裂的存在，因为OPA1过表达、Fis1 RNAi和Drp1显性负表达都降低了线粒体自噬的水平。当线粒体自噬受到损害时，氧化蛋白积累，细胞呼吸和胰岛素分泌减少。值得注意的是，尽管线粒体分裂对有丝分裂是允许的，但它并不是有丝分裂的充分信号(27,31).

帕金森氏病

黑质多巴胺能神经元的逐渐丧失导致帕金森氏病（PD），这是人类第二常见的神经退行性疾病。最突出的PD症状包括静止性震颤、僵硬、运动迟缓和典型的步态不稳。化学和遗传证据都强烈表明线粒体参与。抑制ETC复合物I的药物在人类和动物模型中产生PD-like症状。大多数PD病例散发，病因不明。然而，约10%的PD病例是遗传的，连锁分析已经确定了一些PD相关基因。在遗传性帕金森病中发现的两个基因是Pink1和Parkin，这两个基因都被证明对线粒体完整性很重要(46)。Pink1是一种丝氨酸/苏氨酸激酶，具有N-末端线粒体靶向序列，定位于线粒体和胞质溶胶。Parkin是一种细胞溶质E3泛素连接酶，具有两个环形指，含有半胱氨酸和组氨酸的蛋白质基序，用于协调锌离子。

哺乳动物Pink1和Parkin的研究因小鼠敲除很少表现型和不能再现PD的常见症状而变得复杂(47——49)。然而，这两种基因敲除小鼠的线粒体都表现出轻微的呼吸缺陷和对氧化应激的敏感性(47,49——51)。其他研究表明，Pink1缺失可能导致线粒体形态异常，但不同细胞类型的影响不同。人类多巴胺能神经元或小鼠原代神经元培养物中Pink1缺失会导致存活率降低，并伴有异常、肿胀的线粒体(52)。Pink1的线粒体^−/−尽管观察到大线粒体数量略有增加，但小鼠纹状体神经元未表现出明显的超微结构变化(50)。COS7细胞中Pink1的敲除也通过小管化增加线粒体大小。hFis1或Drp1过表达抑制了这种作用(53)。相反，据报道，帕金森病患者的成纤维细胞含有支离破碎的线粒体(54)。类似地，HeLa细胞和人类神经元SH-SY5Y细胞中Pink1的敲低会导致线粒体断裂，Parkin的过度表达会逆转这种效应(54,55).

尽管小鼠敲除Pink1或Parkin基因具有微妙的表型，但苍蝇中相应的突变体在多个组织中表现出严重的线粒体功能障碍(56——59)。这两个突变体非常相似，特征是飞行肌退化，线粒体肿胀，嵴断裂。双突变体具有相似的表型。Parkin过度表达可恢复肌肉完整性粉红色1突变体，但Pink1在停车场突变体没有效果。这些发现导致了Pink1和Parkin可能在同一途径中发挥作用的模型，Parkin位于Pink1的下游(56,58,59)。与此模型一致，有生化证据表明Pink1和Parkin之间存在直接相互作用(60).

Pink1/Parkin途径如何调节线粒体功能？最近对苍蝇的遗传学研究表明，Pink1和Parkin可促进线粒体分裂或抑制融合(53,61,62)。过度表达图纸1或下调马尔夫/Mfn2（哺乳动物Mfns的苍蝇同源物）或Opa1公司可以显著改善粉红色1或停车场突变体苍蝇，包括飞行肌肉退化、翅膀姿势异常和攀爬飞行缺陷。这些引人注目的观察结果表明Pink1/Parkin途径和线粒体动力学之间存在遗传相互作用。然而，一些观察结果表明，这种关系可能并不直接。例如，Pink1/Parkin与线粒体融合和裂变的上位关系并不简单。关于肌肉中的线粒体形态，drp1（数字参考1）,马尔夫和opa1突变是上位的粉红色1和停车场突变。然而，在睾丸线粒体中粉红色1突变对fzo公司突变(61)。此外，尽管粉红色1或停车场突变体有一些线粒体增大，这种形态学变化伴随着细胞凋亡的增加，与drp1（数字参考1）突变体。此外，合成致命相互作用在粉红色1-空，drp1（数字参考1）-杂合子苍蝇。这些数据表明，Pink1/Parkin在线粒体分裂或融合的简单线性途径中不起作用。

在PD研究中，Pink1和Parkin的功能解释因不同哺乳动物细胞系之间以及苍蝇和哺乳动物模型系统之间发现的线粒体形态缺陷的差异而变得复杂。这种复杂性在阿尔茨海默病（AD）和亨廷顿病（HD）（后来）的研究中也很明显。在某种程度上，这些差异可能表明Pink1和Parkin并不直接调节线粒体融合或裂变。线粒体形态高度依赖于线粒体生理学，因此很难解释线粒体形状的变化。尤其是，线粒体断裂的原因可能是间接的，因为它经常伴随着线粒体功能障碍。在秀丽隐杆线虫，RNAi筛查显示，80%以上的线粒体基因断裂导致线粒体断裂和/或聚集，表明这种形态表型是一种极为常见的表型，不一定表示对线粒体融合或分裂有特定影响(63).

最近的研究表明，Parkin通过有丝分裂参与线粒体的周转。Parkin被特异性招募到膜电位低的线粒体，这些靶向线粒体随后通过自噬体被破坏(31)。Parkin的线粒体积累依赖于电压，不依赖于pH或ATP水平的变化(64)。这些实验表明Parkin可能是线粒体完整性的传感器，并在功能障碍时触发线粒体吞噬。目前尚不清楚Pink1是否参与这一途径。敲除SH-SyY5Y细胞中的Pink1可导致线粒体断裂、线粒体靶向自噬体积聚和细胞死亡增加(55)。抑制Drp1可防止线粒体断裂和有丝分裂，但会加剧细胞死亡。然而，Parkin的共表达增加了线粒体吞噬，减少了细胞死亡，同时防止了线粒体断裂。在这种情况下，线粒体形态本身似乎不是决定细胞命运的关键组成部分。相反，线粒体群体的功能状态似乎控制着细胞结果。综上所述，这些结果表明Pink1保护线粒体功能，而Parkin通过消除功能失调的线粒体促进线粒体质量控制。在未来的研究中，重要的是测试PD患者Parkin缺陷细胞是否真的存在线粒体吞噬缺陷。

阿尔茨海默病

最常见的神经退行性疾病是AD，其特征是大脑皮层神经元死亡导致认知功能障碍和记忆丧失。受损大脑携带细胞内神经纤维缠结和细胞外淀粉样斑块，主要由淀粉样前体蛋白（APP）衍生的β-淀粉样蛋白（Aβ）组成。尽管AD的病理机制尚不清楚，但主要的假设是Aβ的过度生成会导致细胞毒性。过表达APP的转基因小鼠模型导致淀粉样斑块，与炎症细胞激活、局部神经元丢失和一些认知行为改变有关(65).

AD患者大脑线粒体结构异常(66)。Aβ可以定位于线粒体，这种相互作用被认为是其细胞毒性作用的部分基础(67,68)。神经元细胞暴露于稳定表达APP突变形式细胞的条件培养液中会导致线粒体分裂增加、树突状棘丢失，最终导致细胞死亡(69)。线粒体裂变的增加可追溯到S-亚硝基化Drp1（SNO-Drp1）水平的升高，这表明由于二聚作用增强，裂变活性增加。Drp1（C644A）是一种不能亚硝基化的突变体，其表达可以防止过度的线粒体分裂和神经元细胞损伤，而不会干扰正常的基础水平的线粒体分裂。此外，在AD患者和AD小鼠模型的大脑样本中发现SNO-Drp1水平增加。这些数据表明，Aβ的细胞毒性作用在一定程度上是由一氧化氮的生成导致Drp1活性激活所致。

相反，另一项研究发现，散发性AD患者的成纤维细胞表达较低水平的Drp1，并显示细长的线粒体，形成塌陷的核周网络(70,71)。然而，同一组研究人员发现，APP在M17神经母细胞瘤细胞中的过度表达导致线粒体碎片化，Drp1和OPA1水平降低，以及神经元分化缺陷(72)。过度表达Drp1或OPA1可以部分修复这些缺陷的不同方面。