趙強，劉芬，楊毅寧

（新疆醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院心臟中心，新疆烏魯木齊，830054）

心力衰竭（heart failure，HF）是一組由結構性心臟病和（或）心臟本身功能異常引起心輸出量降低和/或心腔內壓力升高的臨床綜合征，為各種心血管疾病的終末期表現，在世界范圍內普遍高發(fā)。流行病學調查顯示，發(fā)達國家HF患病率約為1%-2%，70歲以上人群中這一比例更是高達10%以上[1,2]?！吨袊难懿蟾?016》指出，我國HF患病率約為1%，目前約有450萬人罹患該疾病[3]。HF高患病率、高死亡率及高再住院率已對人類健康及公共衛(wèi)生服務系統造成重大威脅。目前較為公認的HF發(fā)病機制主要包括神經體液系統過度激活、免疫調節(jié)紊亂、能量代謝障礙、氧化應激損傷等，其中，能量代謝和氧化應激損傷機制均以線粒體為核心展開，可見線粒體在HF中的核心地位。

心臟是人體中能量需求和消耗最多的器官，但心肌細胞內ATP濃度卻很低，這就意味著心肌細胞必須不斷地合成ATP以維持正常的舒縮功能。線粒體是細胞內氧化磷酸化、合成ATP的最主要場所，心肌細胞中含有大量線粒體。心肌細胞線粒體形態(tài)和功能對于維持正常的心臟結構和功能至關重要，在心肌缺血、肥大、衰老和HF等多種心血管病理過程中均觀察到不同程度的線粒體損傷[4-7]。隨著顯微技術和報告熒光標記手段的進步，人們逐漸認識到線粒體并非是靜態(tài)、結構恒定、孤立的細胞器，而是通過不斷地融合與分裂進行遷移、相互連接以及自我更新以適應細胞狀態(tài)的變化，該過程即為線粒體動力學（mitochondrial dynamics）[8,9]。近年來，線粒體融合與分裂過程在HF發(fā)病中的研究陸續(xù)展開，本文對相關進展作簡要綜述。

1 線粒體融合與分裂的生理學作用

Davies和Ishihara相繼報道，敲除線粒體融合、分裂蛋白編碼基因會導致小鼠胚胎致死現象[10-12]，提示線粒體融合與分裂在維持機體生命活動中發(fā)揮必不可缺的生理學功能。總體來說，線粒體通過相互融合的方式對受損線粒體進行修復，而自我分裂有利于清除不可修復的受損線粒體[13]。

線粒體融合包括：①動力蛋白超家族鳥苷三磷酸酶（guanosine triphosphatases，GTPase）的重要成員線粒體融合蛋白（mitofusion，Mfn）以GTP非依賴的形式將毗鄰的兩個線粒體外膜相互拉近，②Mfn以 GTP依賴的形式介導外膜融合，③視神經萎縮癥蛋白1（optic atrophy 1，OPA1）介導內膜融合[14]。線粒體融合使線粒體與線粒體之間的相互聯系更為緊密，促進線粒體內代謝產物以及線粒體DNA通過網狀結構進行交換，有利于維持線粒體膜電位、修復線粒體DNA，并且具有促使線粒體間蛋白質組分互補的實際意義[13,15]。通過融合，線粒體能夠在細胞能量不足時使其氧化磷酸化能力最大化，滿足細胞能量需求。相反，當融合過程受阻時，線粒體膜電位、細胞氧耗以及線粒體DNA水平均降低。如果線粒體過度融合或者分裂缺乏時，線粒體將會聚集在細胞的局部，引起其他部位沒有線粒體，或者兩個受損線粒體進行融合，均會影響線粒體功能[13,16]。此外，融合能夠使線粒體免受線粒體自噬等形式的清除，在心肌細胞中，顯性抑制Drp1或者Mfn1能夠防止線粒體過度分裂以及自噬[17,18]。

線粒體分裂的過程比融合更加直截了當，分為“結扎”和“分離”兩步，有學者形象地將其比喻成“香腸制作過程”。線粒體分裂主要是GTPase家族成員動力相關蛋白1（dynamin-related protein 1，Drp1）作用的結果。Drp1募集至線粒體外膜后，線粒體以GTP依賴的形式進行收縮，最終將一個線粒體分離成為兩個子線粒體（daughter mitochondria）。為完成上述過程，線粒體內可能存在一系列預處理反應，但是具體分子機制還不清楚。線粒體分裂將不可修復的線粒體進行碎片化處理、清除出細胞，以保持線粒體的質量，保護線粒體網絡的正常功能。分裂出來的子線粒體如果保有正常膜電位，就能夠與其他線粒體進行融合，繼續(xù)代謝產能；否則，將通過自噬的形式被清除出細胞。線粒體分裂對于線粒體DNA的重分配以及細胞有絲分裂中如何將線粒體運輸至子代細胞等過程也十分必要。研究者發(fā)現，在細胞進行有絲分裂的過程中，線粒體形態(tài)和數量均在不停地變化，尤其是在分裂中期能夠觀察到明顯的線粒體分裂現象，這對于細胞遺傳物質傳遞非常關鍵。一旦線粒體分裂調控的機制失控或被破壞，線粒體分裂就會通過促進細胞凋亡、改變能量代謝穩(wěn)態(tài)等方式參與病理過程。

2 線粒體融合與分裂調控的分子機制

部分研究者認為，由于內部結構獨具復雜性，心肌細胞（尤其是成年心肌細胞）內線粒體融合與分裂活動十分有限。然而，實驗數據表明心臟中線粒體動力蛋白家族各個分子表達水平均很高，提示心肌中的這些蛋白可能通過更為獨特和高效的方式進行線粒體調控。

2.1 線粒體融合相關調控蛋白

線粒體外膜和內膜融合是相對獨立的過程，由不同分子進行調控，其中Mfn1和Mfn2介導外膜融合，而OPA1介導內膜融合。Mfn與OPA1在結構和作用方式具有高度相似性。Mfn1和Mfn2定位于線粒體外膜，二者都具有N末端的GTPase結構域、C末端的疏水coiled-coil結構域（HR1和HR2）以及疏水跨膜結構域。Mfn的GTPase結構域決定著它會以GTP依賴的方式參與線粒體融合，coiled-coil結構域有利于與其他蛋白產生相互作用，而跨膜結構域有助于錨定在線粒體外膜上。Mfn位于胞質中的非跨膜部分與另一Mfn分子的coiled-coil結構域相互作用，使兩個毗鄰線粒體外膜彼此靠近，形成一個連接，意味著融合開始。盡管Mfn1和Mfn2在結構上約有77%相似性，但它們對心肌細胞線粒體融合的調節(jié)效應差異卻很大[13]。特異性敲除心肌Mfn1基因后，心肌細胞線粒體呈碎片化[19]；而敲除Mfn2基因后，心肌細胞線粒體則延長[20]。與Mfn2相比，Mfn1的GTPase酶活性更高，具有更強的GTP依賴形式拉近兩個線粒體的能力[21]；同時，抑制Mfn1比抑制Mfn2會產生更多的碎片化線粒體，由此推斷Mfn1可能在外膜融合中的作用更為重要[22]。此外，Mfn2還存在于內質網/肌質網，參與代謝調節(jié)以及病理性內質網應激過程。

線粒體外膜融合后，由OPA1介導線粒體內膜進行融合。在細胞水平敲除Opa1基因雖然不會影響線粒體彼此靠近以及外膜融合的過程，但是會影響線粒體內膜融合以及線粒體嵴的形態(tài)，引起線粒體膜電位坍塌、呼吸功能受損以及細胞色素C外漏[23]。與正常小鼠相比，Opa1+/-小鼠LVEF（Left ventricular ejection fraction，左室射血分數）值更低，一年期HF發(fā)生率更高[24]。然而，過度表達OPA1也使心肌細胞線粒體呈現過度碎片化，產生細胞毒性[25]，提示OPA1對線粒體融合調控是在一定范圍內進行的。另外，在缺少Mfn1存在的情況下，OPA1并不能促進線粒體融合，說明內膜和外膜融合過程間還存在一定聯系[25]。哺乳動物體內，OPA1主要以長OPA1（long OPA1 protein structure，L-OPA1）和短OPA1（short OPA1 protein structure，S-OPA1）兩種形式存在。在腸肽酶OMA1和i-AAA蛋白水解酶YME1L作用下， L-OPA1可被水解成S-OPA1，前者錨定于線粒體內膜上調節(jié)內膜融合，而后者位于膜間隙，促進線粒體片段化及分裂[26]。OMA1和YME1L含量的平衡對于OPA1調節(jié)線粒體融合的作用至關重要，特異性敲除心肌組織中Yme1l基因后能夠使OMA1活性增強，最終導致擴張型心肌病以及HF[27]。

2.2 線粒體分裂相關調控蛋白

哺乳動物體內調控線粒體外膜分裂蛋白包括Drp1、線粒體分裂蛋白1（mitochondrial fission 1，Fis1）、線粒體分裂因子（mitochondrial fission factor，Mff）、MiD49及MiD51等，內膜分裂調控蛋白有S-OPA1和線粒體蛋白18（mitochondrial protein 18kDa，MTP18）等。

Drp1是調節(jié)線粒體分裂最主要的蛋白，具有氨基酸末端的GTPase結構域、C末端的GTPase作用結構域和中間域。正常情況下，絕大部分的Drp1位于細胞漿內，需要移位至線粒體外膜上才能夠發(fā)揮調控分裂的作用。被募集到線粒體外膜的Drp1分子自我聚集后進行螺旋收縮，結扎和分離線粒體外膜和內膜[28,29]。在正?；蛘邞顟B(tài)下，下調Drp1水平均導致心肌細胞內去極化線粒體數量增加。在心肌缺血損傷模型中，PKA磷酸化Drp1 Ser637位點能夠抑制胞質內Drp1向線粒體外膜轉位并且抑制其GTPase活性，減輕線粒體過度分裂程度[30]。鈣離子介導的Drp1 Ser637去磷酸化，則會使Drp1向線粒體外膜移位增多，促進線粒體分裂[31]。在心肌損傷再灌注階段，Pim-1和PKCδ分別能夠磷酸化Drp1的Ser637和Ser616位點，使其活化，其中Pim-1活化具有心肌細胞線粒體完整性及心肌保護作用，而PKCδ則恰恰相反[32,33]。

由于Drp1缺乏疏水跨膜結構域，必須與其他的受體蛋白綁定才能被募集到線粒體外膜[34]。Fis1是首個較為公認的線粒體受體蛋白，錨定于線粒體外膜。在酵母菌中，Fis1的N末端結構域能夠與配體蛋白Mdv1、Caf4相結合并產生相互作用，促進Dnm1（即哺乳動物Drp1分子）-GTP寡聚體的合成與裝配，參與調控線粒體分裂[35,36]。迄今為止，哺乳動物體內并未發(fā)現這些配體蛋白，因此Drp1與Fis1之間的具體作用方式還不清楚。研究表明，Fis1過表達確實能夠誘導線粒體分裂，然而，部分細胞（如宮頸癌細胞和結腸癌細胞株）敲除Fis1基因并不會影響線粒體募集Drp1以及分裂的過程[37]。由此提示，Fis1并不是唯一參與線粒體招募Drp1過程的分子。Mff、MiD49、MiD51也錨定于線粒體外膜上，與Drp1移位關系密切。哺乳動物體內，Mff與Drp1共定位于線粒體上，敲減Mff后會阻礙Drp1向線粒體移位，使線粒體延長；而Mff過表達則會促進線粒體募集Drp1，導致線粒體分裂增加[37]。MiD49和MiD51能夠以類似Drp1的作用方式在線粒體表面聚集、形成環(huán)狀物對線粒體進行分割，也可以直接將Drp1招募至線粒體表面，敲低MiD49和MiD51會減弱Drp1的作用，促進線粒體融合[38]。

目前，Drp1介導的線粒體外膜收縮是否足以引起內膜分裂還不清楚，但S-OPA1和MTP18參與了線粒體內膜分裂的調控。如前所述，S-OPA1是OMA1和YME1L水解L-OPA1的產物，細胞缺乏SOPA1仍可出現線粒體融合，但是當S-OPA1異位表達并作用于線粒體內膜時，它會以不依賴于OMA1和YME1L水解的作用方式引起線粒體碎片化，提示S-OPA1集聚促使線粒體分裂的發(fā)生。S-OPA1還與線粒體外膜分裂處的細胞器元件共定位于線粒體-內質網/肌質網接觸位點，共同參與線粒體分裂[26]。MTP18是18kDa大小的膜蛋白，大多數嵌于線粒體內膜，該分子敲減后會使線粒體呈現高度融合狀態(tài)，異位表達則會導致線粒體分裂[39,40]。過表達MTP18與Drp1募集的關系也十分密切，但分子機制有待進一步探索[39]。

3 線粒體融合與HF

特異性敲除小鼠心臟Mfn1和Mfn2基因，會引起心肌線粒體過度分裂以及呼吸鏈功能異常，最終迅速發(fā)展成為致死性的擴張型心肌病，提示Mfn基因缺陷引起的線粒體融合過程受阻在HF發(fā)展中具有重要意義[41]。眾所周知，細胞凋亡引起的心肌細胞慢性流失是HF發(fā)病的重要因素。Mfn1基因缺陷會引起大鼠原代心肌細胞線粒體過度分裂，細胞凋亡增加，其過表達后則會逆轉心肌凋亡[42]。然而，Mfn1和Mfn2在人缺血性心肌病及擴張型心肌病所致HF的心肌組織中表達均升高[43]。Papanicolaou也發(fā)現，盡管Mfn1-/-心肌細胞中過度分裂的線粒體顯著增多，但卻能夠改善ROS所致線粒體功能障礙以及細胞死亡[44]。這些矛盾的結果仍需進一步探究。

Mfn2在心肌細胞氧化應激損傷、缺血再灌注損傷模型中均顯著升高。過表達Mfn2可能通過抑制Akt信號通路引起心肌細胞凋亡增加，而沉默Mfn2后會減少氧化應激所致心肌細胞凋亡[45]。Mfn2低表達能夠引起心肌細胞線粒體變大，增加細胞對鈣離子所致MPTP開放以及ROS損傷的耐受性，這可能是敲除Mfn2抗心肌細胞凋亡的機制之一[46]。由于Mfn2也分布于內質網上，它可以調控內質網內的鈣離子流向臨近線粒體，敲除心肌Mfn2基因會破壞線粒體與內質網的聯系以及鈣離子穩(wěn)態(tài)[46,47]，這可能是Mfn2促心肌細胞凋亡的另一種重要機制。此外，部分研究則表明Mfn2具有抗心肌細胞凋亡的雙重作用。Chen報道Mfn2-/-心肌細胞會出現線粒體膜電位塌陷以及ROS水平增加的現象[47]。Parra在神經酰胺誘導大鼠原代心肌細胞凋亡的模型也發(fā)現，Mfn2表達下調會減小線粒體體積、增加其碎片化，加劇細胞色素C外流，增加早期凋亡。

Dorn研究發(fā)現，沉默果蠅體內MARF（果蠅體內調控線粒體外膜融合的唯一蛋白）和OPA1表達后會引起線粒體形態(tài)不一、平均體積減小，最終導致心管擴張以及嚴重收縮功能障礙；在其體內過表達人Mfn1或者Mfn2后則能夠改善心肌病進展。上述結果不僅說明線粒體融合過程在心肌病進展具有重要作用，也提示Mfn與OPA1在線粒體融合調控方面存在一定的交互作用[48]。人缺血性心肌病以及大鼠心肌梗死后HF的心肌組織均發(fā)現OPA1表達水平顯著降低，在透射電鏡下觀察到心肌細胞線粒體呈碎小、片段化狀態(tài)[43]。雜合型Opa1+/-小鼠心肌中亦出現線粒體功能障礙、線粒體DNA不穩(wěn)定以及ROS水平增加等改變，并最終進展成為心肌病[24,49]。然而，人擴張型心肌病所致衰竭心肌中OPA1卻無明顯變化[43]。此外，缺血刺激使H9C2心肌細胞系中OPA1水平降低，伴線粒體過度分裂[50]；而過表達該蛋白雖然能夠促進H9C2心肌細胞線粒體融合，但并不能減少缺血所致的心肌細胞死亡[43]。據此，進一步證實OPA1對心肌組織具有兩面性：適當增加OPA1表達能夠促進線粒體融合發(fā)揮心肌保護作用，過度表達則引起相反的心肌損害效應。

4 線粒體分裂與HF

研究表明，Drp1能夠促進線粒體外膜透化作用以及細胞色素C釋放，而抑制該蛋白的表達、維持線粒體形態(tài)穩(wěn)定后則能夠逆轉上述心肌損害作用，可能是Drp1參與HF發(fā)病的重要分子機制。Ikeda報道，特異性敲除心臟Drp1基因會使小鼠心肌線粒體自噬減少、功能障礙的線粒體數目增多，逐漸出現左心室功能障礙[51]。無論在心肌細胞系還是成年心肌細胞，Drp1的抑制劑Mdivi-1均能夠改善線粒體膜電位降低、過度分裂，減少細胞凋亡[52,53]。總體來說，Mdivi-1抑制Drp1介導線粒體分裂能夠減少缺血再灌注損傷的心肌梗死面積，具有一定的心血管保護作用[53]。鈣調神經磷酸酶是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白質磷酸酶，在梗死、衰竭心肌中顯著增高。Wang研究發(fā)現，心臟中存在調控心肌細胞凋亡的miR499/鈣調神經磷酸酶/Drp1軸，簡言之，miR499抑制鈣調神經磷酸酶介導的Drp1去磷酸化過程，進而減少Drp1向線粒體外膜移位及由此引起的線粒體分裂、細胞凋亡，最終改善心肌梗死損傷及心功能[54]。泛素化修飾是Drp1發(fā)揮功能的重要方式之一，SENP5為Drp1去泛素化過程所必需的酶，該酶在原發(fā)性心肌病引起的衰竭心肌中顯著增加。在小鼠體內，SENP5過表達使Drp1去泛素化水平增加、Drp1含量增多，引起線粒體功能障礙以及心肌病，進一步證實了Drp1在HF發(fā)展中的作用[55]。

哺乳動物細胞中，減少Fis1、Mff和MTP18等線粒體分裂蛋白表達后，能夠相應地抑制細胞色素C釋放及隨之而來的細胞凋亡。結扎大鼠冠狀動脈12和18周后，心肌Fis1水平較對照組分別增加80%和31%[56]，氣體信號分子H2S可能正是通過抑制Drp1和Fis1、增加融合相關蛋白等，改善了線粒體形態(tài)及功能，發(fā)揮對心肌肥厚的保護作用[57]。Chen研究發(fā)現，Mff基因缺陷使小鼠心肌組織內線粒體密度降低、呼吸鏈功能損害以及線粒體自噬水平增加，引起嚴重擴張型心肌病并逐漸發(fā)展為HF，最終導致小鼠發(fā)病13周時死亡。[58]。Wang最新報道，siRNA沉默MTP18表達后會抑制心肌細胞線粒體分裂，減少細胞凋亡，減輕心肌缺血損傷，具有一定的心肌保護效應[59]。

5 結語與展望

細胞和整體水平展開的研究結果均證實，線粒體融合、分裂異常以及相關調控蛋白變化所致線粒體形態(tài)和功能改變是HF發(fā)生和發(fā)展的重要機制之一。正是由于線粒體融合與分裂過程及調控蛋白的關鍵作用，在動物模型水平已有一些針對相關調控分子的化合物用于試驗性的治療。例如，短期應用Drp1抑制劑Mdivi-1能夠減輕心肌缺血再灌注損傷發(fā)揮心肌保護作用。然而，我們也要客觀地認識到長期應用Mdivi-1治療心肌肥厚或糖尿病心肌肥大則可能使細胞內受損線粒體蓄積增多，損害心功能[60]，說明我們以此為思路開發(fā)和應用于HF治療的新藥仍需要進一步探索。目前，我們對線粒體動力學調控的具體過程及機制認識還十分有限，尤其是線粒體分裂調控過程及其與線粒體自噬的聯系，在這一領域進行深入研究有利于揭示HF發(fā)病規(guī)律，也有助于HF的防治和臨床預后改善。需要特別強調的是，在預防或改善HF進展的嘗試中維持線粒體融合與分裂的平衡比單獨改變某一獨立過程更為重要。