馬春偉 高炳宏

1 上海體育學(xué)院運(yùn)動(dòng)科學(xué)學(xué)院（上海200438）

2 運(yùn)城學(xué)院體育系（山西運(yùn)城044000）

3 上海體育學(xué)院體育教育訓(xùn)練學(xué)院（上海200438）

線粒體是高度動(dòng)態(tài)和半自主的細(xì)胞器，在生理代謝、應(yīng)激反應(yīng)和細(xì)胞死亡等多種細(xì)胞功能的管理中發(fā)揮重要作用，維持線粒體穩(wěn)態(tài)對(duì)于細(xì)胞生存、協(xié)調(diào)應(yīng)激反應(yīng)和介導(dǎo)細(xì)胞死亡至關(guān)重要。為了維持線粒體穩(wěn)態(tài)，細(xì)胞產(chǎn)生新的線粒體和去除受損或冗余的線粒體均需要精確的控制過程[1]，線粒體穩(wěn)態(tài)受到破壞，如線粒體聚集、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路異?；驊?yīng)激反應(yīng)導(dǎo)致的線粒體功能障礙，是包括神經(jīng)退行性病變、心血管疾病和癌癥在內(nèi)的諸多疾病發(fā)生的根源[2]。線粒體質(zhì)量控制是維持線粒體穩(wěn)態(tài)的有效手段，包括線粒體內(nèi)蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)、線粒體生物發(fā)生、線粒體融合與分裂、線粒體自噬等生理過程，參與調(diào)節(jié)線粒體的形態(tài)、體積和功能，是細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)的關(guān)鍵組成部分[3，4]。

線粒體內(nèi)蛋白質(zhì)的穩(wěn)定是維持線粒體形態(tài)、功能的前提和基礎(chǔ)，為了將線粒體功能整合到細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)中，需要通過一系列的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路來監(jiān)控線粒體適應(yīng)程度，使線粒體功能與細(xì)胞需求協(xié)調(diào)一致。在應(yīng)激條件下，信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路受損，線粒體內(nèi)外會(huì)聚集大量的未折疊蛋白或錯(cuò)誤折疊蛋白，導(dǎo)致蛋白毒性應(yīng)激，最終導(dǎo)致細(xì)胞功能下降甚至死亡[5]。應(yīng)對(duì)諸如缺氧、氧化應(yīng)激等外界環(huán)境變化時(shí)，細(xì)胞利用受損的蛋白質(zhì)輸入作為線粒體功能障礙的傳感器，激活線粒體未折疊蛋白反應(yīng)（mitochondrial unfolded protein response，UPRmt）[6]，這是細(xì)胞應(yīng)激后產(chǎn)生的一種適應(yīng)性反應(yīng)，它維持著線粒體的蛋白平衡，介導(dǎo)組織間的信號(hào)傳導(dǎo)，調(diào)控著機(jī)體的衰老[7]。運(yùn)動(dòng)是一種典型的應(yīng)激，不同的運(yùn)動(dòng)方式會(huì)引起線粒體內(nèi)不同程度的未折疊蛋白反應(yīng)，進(jìn)而調(diào)控線粒體質(zhì)量控制機(jī)制。雖目前已經(jīng)對(duì)UPRmt展開了一系列的研究，但研究的關(guān)注點(diǎn)仍停留在細(xì)胞層面或線蟲等低等動(dòng)物上，對(duì)哺乳動(dòng)物體內(nèi)的UPRmt機(jī)制的研究?jī)H處于起步階段，闡明哺乳動(dòng)物中UPRmt與線粒體質(zhì)量控制之間的關(guān)系，以及運(yùn)動(dòng)在這一關(guān)系網(wǎng)絡(luò)中扮演了何種角色等問題，對(duì)于理解線粒體在不同應(yīng)激狀態(tài)下發(fā)生的適應(yīng)性反應(yīng)尤為重要，并最終為靶向治療及延長(zhǎng)生命跨度提供新的途徑[8]。

1 線粒體未折疊蛋白反應(yīng)與線粒體質(zhì)量控制概述

1.1 線粒體未折疊蛋白反應(yīng)

線粒體功能的多樣性和適應(yīng)性取決于蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)復(fù)合物和應(yīng)激反應(yīng)途徑的協(xié)同作用[6]，線粒體基因組包含1000 多種蛋白質(zhì)[9]，其中有13 種蛋白質(zhì)在線粒體內(nèi)編碼，是呼吸鏈或ATP 合成酶的組成成分，剩余99%的線粒體蛋白在細(xì)胞核內(nèi)編碼，在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)作為前體合成，并通過專門的蛋白轉(zhuǎn)位酶導(dǎo)入線粒體[10]，這種復(fù)雜的蛋白質(zhì)輸入機(jī)制可有效維持線粒體的基本功能[11]。為有效維持蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)，細(xì)胞核與線粒體之間擁有雙向的信號(hào)通路[12]：一方面，通過信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制由細(xì)胞核協(xié)調(diào)完成，以滿足細(xì)胞的能量需求，這種通信稱為順行信號(hào)調(diào)節(jié)；另一方面，線粒體還可向細(xì)胞核轉(zhuǎn)導(dǎo)信號(hào)，調(diào)節(jié)核編碼基因的遺傳表達(dá)，這種現(xiàn)象稱為逆行反應(yīng)信號(hào)，這種信號(hào)主要作用是協(xié)調(diào)細(xì)胞核基因表達(dá)的適應(yīng)性變化，以減少或解決線粒體應(yīng)激等問題[13]，UPRmt就是典型的逆行反應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程。

UPRmt在遺傳或藥理學(xué)上觸發(fā)線粒體應(yīng)激時(shí)，可以感知線粒體蛋白質(zhì)組的功能障礙并將其傳遞至細(xì)胞核，激活修復(fù)損傷的轉(zhuǎn)錄過程。另外，UPRmt也是一種自適應(yīng)信號(hào)通路，借助線粒體到細(xì)胞核的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，檢測(cè)線粒體內(nèi)的蛋白毒性應(yīng)激，誘導(dǎo)線粒體分子伴侶和蛋白酶等線粒體保護(hù)因子，并通過調(diào)控基因表達(dá)過程恢復(fù)細(xì)胞器內(nèi)的蛋白平衡，維持或重建線粒體蛋白折疊環(huán)境中的蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)，恢復(fù)線粒體功能[14]。UPRmt可同步線粒體和核基因組的活性，通過激活線粒體蛋白質(zhì)量控制網(wǎng)絡(luò)調(diào)控線粒體蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)，從而確保線粒體蛋白質(zhì)組的質(zhì)量，還通過將代謝類型從依賴線粒體氧化磷酸化轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)糖酵解，減輕線粒體的應(yīng)激需求[15]。在應(yīng)激狀態(tài)下，線粒體未折疊蛋白積累可導(dǎo)致線粒體結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變，線粒體短期輕度的應(yīng)激可激活UPRmt反應(yīng)，啟動(dòng)細(xì)胞內(nèi)防御性應(yīng)答系統(tǒng)，抵抗線粒體損傷，維持或促進(jìn)線粒體功能的發(fā)揮；而線粒體應(yīng)激水平過高，UPRmt的保護(hù)作用不足以抵抗線粒體的損傷程度時(shí)，則會(huì)通過介導(dǎo)細(xì)胞凋亡，加重細(xì)胞的不可逆損傷[16]。UPRmt主要通過誘導(dǎo)控制蛋白質(zhì)折疊、組裝和降解的線粒體伴侶蛋白和蛋白酶的表達(dá)，來維持線粒體蛋白穩(wěn)定[13]，伴侶蛋白包括熱休克蛋白60（heat shock protein 60，Hsp60）和線粒體熱休克蛋白70（mitochondrial heat shock protein 70，mtHsp70）等可促進(jìn)蛋白質(zhì)折疊并防止聚集體形成，蛋白酶主要包括m-AAA 和i-AAA 蛋白酶，可以消除受損或錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)的積累[6]。目前已知的哺乳動(dòng)物UPRmt信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑主要包括活化轉(zhuǎn)錄因子4（activating transcription factor 4，ATF4）/活化轉(zhuǎn)錄因子5（activating transcription factor 5，ATF5）-C/ EBP同源蛋白（C/EBP homologous protein，CHOP）途徑、沉默信息調(diào)節(jié)因子3（silent information regulator factor 2 related enzyme 3，Sirt3）-叉頭框蛋白3a（forkhead box protein O3a，F(xiàn)OXO3a）-錳超氧化物歧化酶（manganese superoxide dismutase，superoxide dismutase 2，SOD2）途徑、蛋白激酶B（protein Kinase B，AKT）/雌激素受體（estrogen receptor，ERα）/高溫需求蛋白A2（high temperature requirement protein A2，HtrA2，也稱為OMI）途徑[17]。

1.2 線粒體質(zhì)量控制

線粒體質(zhì)量控制包括一系列相互關(guān)聯(lián)且相互牽制的生理過程。新線粒體的合成是一個(gè)復(fù)雜的過程，稱為線粒體生物發(fā)生，涉及線粒體外膜和內(nèi)膜的膜合成、線粒體DNA 復(fù)制以及在細(xì)胞質(zhì)中合成的蛋白質(zhì)輸入并運(yùn)輸?shù)竭m當(dāng)?shù)木€粒體內(nèi)區(qū)室（外膜、膜間隙、內(nèi)膜或基質(zhì)）等過程[6]，線粒體的生物發(fā)生可以促進(jìn)現(xiàn)有線粒體網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展。其中，過氧化物酶體增殖因子激活因子受體-共激活因子1α（peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1 alpha，PGC-1α）和線粒體轉(zhuǎn)錄因子A（transcription factorA，Tfam）等因子參與誘導(dǎo)線粒體的生物發(fā)生。線粒體通過融合和分裂這兩個(gè)相反的過程不斷的進(jìn)行重構(gòu)，構(gòu)成線粒體動(dòng)力學(xué)。一方面，線粒體融合可以使完整的線粒體與輕微功能障礙的線粒體混合，保護(hù)細(xì)胞器不被降解，并進(jìn)行物質(zhì)交換，同時(shí)取代受損的線粒體DNA，恢復(fù)線粒體完整性。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，除了視神經(jīng)萎縮蛋白1（opticAtrophy protein 1，Opa1）外，線粒體融合蛋白1/2（mitochondrial fusion protein 1/2，Mfn1/2 ）也是調(diào)節(jié)融合過程的線粒體膜蛋白，它們分別是促進(jìn)線粒體內(nèi)外膜協(xié)調(diào)融合的重要因素，融合過程促進(jìn)線粒體蛋白、脂質(zhì)和線粒體DNA 的遷移。另一方面，通過線粒體分裂分離出不可逆的受損線粒體，并被線粒體自噬消除。線粒體膜分裂是主要由動(dòng)力相關(guān)蛋白1（dynamin-related protein-1，Drp1）與分裂蛋白1（fission protein 1，F(xiàn)is1）聯(lián)合介導(dǎo)。線粒體分裂可以定位到特定的網(wǎng)狀損傷區(qū)域，確保選擇性的去除網(wǎng)狀損傷區(qū)域[18，19]。線粒體動(dòng)力學(xué)受同源性磷酸酶張力蛋白誘導(dǎo)的激酶1（PTEN induced putative kinase 1，PINK1）-Parkin（線粒體自噬相關(guān)蛋白，是一種E3 連接酶）通路的調(diào)控，這一調(diào)控通路是線粒體自噬的一部分，線粒體自噬可以特異性消除受損嚴(yán)重的線粒體。Somak Das 通過激光共聚焦顯微技術(shù)觀察到線粒體分裂先于線粒體自噬發(fā)生，PINK1/Parkin 可能通過阻斷融合而促進(jìn)分裂，從而促進(jìn)線粒體自噬[20]，除PINK1/Parkin 通路外，線粒體自噬通路還包括BCL2/腺病毒E1B-19kDa 相互作用蛋白3（BCL2/adenovirus E1B 19-kDainteracting protein 3，BNIP3）-BCL2/腺病毒E1B-19kDa 相互作用蛋白3 樣（BCL2/adenovirus E1B 19-kDainteracting protein 3-like，Bnip3L，也稱為Nix）通路和FUN14域蛋白1（FUN14domain containing1，F(xiàn)UNDC1）通路[21，22]。綜上，細(xì)胞通過線粒體生物發(fā)生、線粒體自噬（靶向降解）、線粒體動(dòng)力學(xué)（融合與分裂）等過程維持線粒體穩(wěn)態(tài)[23]，雖然其內(nèi)在機(jī)制仍未被完全闡明，但這一過程是細(xì)胞存活所必需的，也是維持健康的線粒體池所必需的，尤其是在運(yùn)動(dòng)等應(yīng)激狀態(tài)下可以更大限度地滿足細(xì)胞代謝需要[24]。

2 線粒體質(zhì)量控制與線粒體未折疊蛋白反應(yīng)的相關(guān)關(guān)系

2.1 線粒體未折疊蛋白反應(yīng)直接調(diào)節(jié)線粒體RNA 的加工過程

UPRmt涉及核基因的廣泛誘導(dǎo)過程，包括參與折疊基質(zhì)定位蛋白、前體RNA 加工和翻譯[25]。線粒體DNA編碼的轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（transfer RNA，tRNA）對(duì)于線粒體內(nèi)的翻譯和RNA 成熟至關(guān)重要。轉(zhuǎn)錄后，線粒體tRNA在5’和3’端被核糖核酸酶P（Ribonuclease P，RNase P）和核糖核酸酶Z（Ribonuclease Z，RNase Z）復(fù)合物加工[26]。人類的RNase P由線粒體RNase P亞基（mitochondrial RNase P subunit，TRMT10C/MRPP1）、短鏈氧化還原酶羥類固醇17β-脫氫酶10（short-chain oxidoreductase hydroxysteroid 17β- dehydrogenase 10，HSD17B10/MRPP2）和金屬核酸酶（metallonuclease，KIAA0391 / MRPP3）組成。在線粒體應(yīng)激狀態(tài)下，UPRmt激活會(huì)因LON 蛋白酶降解增加而導(dǎo)致MRPP3 降低[25]。因此，UPRmt激活通過MRPP3 降解使真核起始因子2α（eukaryoticinitiation factor 2α，eIF2α）和線粒體磷酸化，從而減少細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的蛋白質(zhì)合成，這可能是促進(jìn)蛋白質(zhì)穩(wěn)定的原因之一[6]。也有文獻(xiàn)指出：線粒體內(nèi)發(fā)生的翻譯抑制過程與轉(zhuǎn)錄抑制導(dǎo)致的前體RNA 加工缺陷、LON 依賴的線粒體前體RNA 加工核酸酶MRPP3的更新是同時(shí)發(fā)生的[25，27]。

2.2 線粒體自噬與線粒體未折疊蛋白反應(yīng)

在線粒體自噬的PINK1/Parkin 通路中，如果線粒體應(yīng)激時(shí)PINK1 不能通過線粒體內(nèi)膜輸入，它會(huì)積聚在外膜上，激酶域面向細(xì)胞質(zhì)[6]。PINK1 磷酸化泛素以激活Parkin E3 泛素連接酶，導(dǎo)致多個(gè)線粒體外膜蛋白泛素化[28-30]，泛素化的線粒體蛋白的積累募集了銜接蛋白，促進(jìn)自噬裝置的靶向識(shí)別[31]?；赨PRmt和線粒體自噬的通路都是在線粒體蛋白質(zhì)輸入效率的水平上受到調(diào)控的，所以線粒體蛋白質(zhì)輸入有可能是UPRmt與線粒體自噬轉(zhuǎn)換過程中的關(guān)鍵點(diǎn)：當(dāng)線粒體功能障礙較輕時(shí)，細(xì)胞可能偏向于UPRmt的激活，此時(shí)PINK1 進(jìn)入線粒體，被加工后釋放入細(xì)胞質(zhì)中發(fā)生降解。然而，當(dāng)細(xì)胞器功能障礙加重，PINK1 在受損最嚴(yán)重的細(xì)胞器外膜上積累時(shí)，兩種途徑都被激活，只有受損最嚴(yán)重的線粒體被靶向降解[32]。也有研究指出：應(yīng)激狀態(tài)下，Sirt3-FOXO3a-PINK1-Parkin 通路可能是線粒體融合-分裂-線粒體自噬的信號(hào)傳導(dǎo)途徑，但其機(jī)制仍有待于進(jìn)行深入研究[20]。

哺乳動(dòng)物自噬的Nix 驅(qū)動(dòng)機(jī)制，即外膜蛋白Nix 與微管相關(guān)蛋白3（microtubule-associated protein 1 light chain 3，LC3）結(jié)合，從而啟動(dòng)自噬[33]。Nix 在缺氧時(shí)也會(huì)上調(diào)[34]，這表明Nix 在應(yīng)激期間通過自噬作用廣泛參與線粒體蛋白平衡的恢復(fù)，LC3 也成為判斷自噬發(fā)生的關(guān)鍵指標(biāo)之一[35]。而UPRmt中的Sirt3/FOXO3通路也通過LC3 參與自噬過程，F(xiàn)OXO3 產(chǎn)生抗氧化反應(yīng)這一過程的效應(yīng)包括LC3B 的脂化、多個(gè)自噬基因的誘導(dǎo)及自噬率的增加，這也表明自噬和自噬通量受到了刺激[36]。同時(shí)，參與UPRmt的蛋白酶酪蛋白裂解酶P（Caseinolytic protease，ClpP）與UPRmt的關(guān)系表現(xiàn)在AMPK 磷酸化的增加可促進(jìn)LC3 轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)C3-Ⅱ，LC3-Ⅱ也是與UPRmt相關(guān)的線粒體自噬標(biāo)志物[37]。Papa 也證實(shí)UPRmt中的Sirt3-FOXO3a 軸在線粒體自噬中發(fā)揮作 用[36]，Tseng 的研究也得出了一致結(jié)論，UPRmt的Sirt3-FOXO3a 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程激活Bnip3、Nix 和LC3-II/LC3-I，在氧化應(yīng)激條件下調(diào)控線粒體自噬[38]。

在線粒體自噬FUNDC1 通路中，F(xiàn)UNDC1/HSC70（結(jié)構(gòu)性熱休克蛋白70）途徑促進(jìn)未折疊的胞質(zhì)蛋白質(zhì)的降解，即線粒體外膜蛋白與分子伴侶HSC70 相互作用，以促進(jìn)胞質(zhì)中未折疊蛋白的線粒體易位，通過線粒體Lon 蛋白水解酶（Lon peptidase 1，LONP1）降解的非聚集性線粒體相關(guān)蛋白聚集體，并以Fis1 依賴性方式與線粒體分離，隨后可通過自噬降解。在生理狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)型熱休克蛋白70（heat shock cognate70，HSC70）維持蛋白穩(wěn)定過程中有識(shí)別未折疊蛋白的能力，所以可以推測(cè)FUNDC1/HSC70 軸可能是活躍的，而轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白將被LONP1 蛋白酶降解。同時(shí)，由于FUNDC1 在Ser13位點(diǎn)的去磷酸化作用，調(diào)控細(xì)胞質(zhì)中未折疊蛋白的線粒體轉(zhuǎn)位[39]。

綜上所述，線粒體自噬的PINK/Parkin 通路、BNIP3/NIX 通路和FUNDC1通路都直接或間接與UPRmt有關(guān)，激活UPRmt的許多應(yīng)激也激活線粒體自噬，因此，有理由相信UPRmt和線粒體自噬是互補(bǔ)的：UPRmt可以作為抵抗線粒體蛋白質(zhì)損害的第一道防線，而線粒體自噬則用于去除冗余的線粒體[36，40]。

2.3 線粒體生物發(fā)生與線粒體未折疊蛋白反應(yīng)

有研究表明，線粒體膜間腔中存在一個(gè)單獨(dú)的UPRmt信號(hào)通路，即Sirt3-FOXO3 通路，該通路專門對(duì)未折疊蛋白應(yīng)激作出應(yīng)激反應(yīng)。定位于線粒體膜間腔的內(nèi)切核酸酶G（Endonuclease G，EndoG）表達(dá)改變導(dǎo)致AKT 磷酸化和核激素受體ERα的激活，導(dǎo)致線粒體膜間腔定位的質(zhì)量控制蛋白酶HtrA2 和轉(zhuǎn)錄因子核呼吸因子1（nuclear respiratory factor 1，NRF1）的表達(dá)增加，這涉及線粒體生物發(fā)生[17]。早前的研究證實(shí)UPRmt的Sirt3-FOXO3 軸可上調(diào)PGC-1α、Tfam 等因子促進(jìn)線粒體生物發(fā)生。同時(shí)，Sirt3 介導(dǎo)的FOXO3 去乙酰化也可促進(jìn)線粒體生物發(fā)生，導(dǎo)致線粒體質(zhì)量增加[38]。

線粒體未折疊蛋白反應(yīng)是從線粒體到細(xì)胞核的反饋性調(diào)節(jié)反應(yīng)，這種逆行信號(hào)是有據(jù)可循的。線粒體開放閱讀框12S rRNA-C（mitochondrial open reading frame of the 12S rRNA-c，MOTS-c）是第一個(gè)被識(shí)別的線粒體DNA 編碼的核轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，是線粒體和細(xì)胞核之間定向通信的最主要手段之一[41]，AMP 活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）是已知的唯一與MOTS-c 在功能上發(fā)揮相互作用的激酶，AMPK 是線粒體生物發(fā)生與自噬的上游共同控制點(diǎn)，抑制或激活A(yù)MPK，線粒體的生物發(fā)生和自噬均同步發(fā)生[42]。同時(shí)，AMPK被認(rèn)為是UPRmt的感受器，應(yīng)激下AMPK 的抑制對(duì)熱休克蛋白70（heat shock protein 70，Hsp70）的表達(dá)有促進(jìn)作用，而ClpP 基因沉默可導(dǎo)致AMPK 磷酸化增加[39]。由此可知：AMPK、PGC-1α、Tfam、FOXO3 等因子可能是線粒體生物發(fā)生與線粒體未折疊蛋白反應(yīng)相連通的關(guān)鍵因子，其中的具體機(jī)制有待于進(jìn)一步證實(shí)。

2.4 線粒體融合與分裂與線粒體未折疊蛋白反應(yīng)

有研究表明：UPRmt激活誘導(dǎo)參與線粒體分裂的基因，維持線粒體動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定[6]。融合缺陷細(xì)胞的線粒體很可能含有大量不穩(wěn)定的蛋白質(zhì)，融合功能障礙會(huì)激活UPRmt，進(jìn)而抑制由線粒體動(dòng)力學(xué)異常引起的疾病，如線粒體肌病等[43]。

現(xiàn)有部分研究以UPRmt中的蛋白酶為切入點(diǎn)，通過研究蛋白酶的調(diào)控能力及泛素-蛋白酶體系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)了蛋白酶與線粒體的動(dòng)態(tài)變化的關(guān)系：線粒體融合的幾種關(guān)鍵效應(yīng)蛋白（Mfn1、Mfn2）和分裂蛋白（Fis1、Drp1）的結(jié)構(gòu)域暴露在線粒體膜的胞質(zhì)側(cè)，在線粒體分裂過程中，Drp1 和Fis1 蛋白聚集在線粒體外膜上，而Mfn1和Mfn2 蛋白被蛋白酶體泛素化和降解。在線粒體融合過程中，Mfn1 和Mfn2 蛋白水平升高，Drp1 和Fis1 蛋白定向蛋白酶體降解。這些蛋白質(zhì)可與泛素-蛋白酶系統(tǒng)直接接觸，選擇性地去除融合或分裂成分，調(diào)節(jié)線粒體的動(dòng)態(tài)變化[44]；UPRmt中的特異性蛋白酶通過裂解OPA1直接參與調(diào)控線粒體動(dòng)力學(xué)，平衡線粒體的分裂和融合[45]；肌肉細(xì)胞中蛋白酶ClpP 的減少導(dǎo)致線粒體分裂蛋白Drp1 表達(dá)升高，即ClpP 可以通過改變線粒體動(dòng)力學(xué)來保護(hù)線粒體質(zhì)量[46]；參與UPRmt的蛋白酶中，m-AAA 蛋白酶可誘導(dǎo)線粒體的分裂過程[47]，i-AAA 蛋白酶參與OPA1 的加工和生成，OPA1 維持線粒體嵴結(jié)構(gòu)，調(diào)控呼吸鏈超復(fù)雜裝配過程[48]。其中，線粒體蛋白酶可將OPA1 從長(zhǎng)OPA1（L-Opa1）切割為短OPA1（SOpa1）形式[49]，長(zhǎng)OPA1可以介導(dǎo)細(xì)胞中的線粒體融合，短OPA1 的表達(dá)可以促進(jìn)線粒體分裂，這表明OPA1 可協(xié)調(diào)線粒體的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)于線粒體完整性和質(zhì)量控制至關(guān)重要[45]。同時(shí)，OPA1 是Sirt3 的底物，可以直接去乙?；⒓せ睿龠M(jìn)線粒體融合[50]。

UPRmt的Sirt3-FOXO3a 途徑可誘導(dǎo)Drp1、Fis1 和Mfn2 協(xié)同線粒體分裂/融合[38]。同樣，在UPRmt的AKT/ERα/Omi1 轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中，Omi/HtrA2 蛋白酶可以調(diào)節(jié)線粒體融合蛋白Mfn2 和自噬水平，進(jìn)而調(diào)控線粒體的數(shù)量和質(zhì)量[51]，線粒體動(dòng)態(tài)變化與線粒體自噬途徑協(xié)同配合，通過重新分布和去除線粒體網(wǎng)絡(luò)中不可逆轉(zhuǎn)受損的蛋白質(zhì)，在應(yīng)激條件下重建細(xì)胞穩(wěn)態(tài)[16]。

3 運(yùn)動(dòng)介導(dǎo)線粒體未折疊蛋白反應(yīng)調(diào)控線粒體質(zhì)量控制

3.1 運(yùn)動(dòng)介導(dǎo)的線粒體未折疊蛋白反應(yīng)調(diào)控線粒體生物發(fā)生和線粒體自噬

線粒體的生物發(fā)生和自噬的變化與運(yùn)動(dòng)相適應(yīng)[52，53]，運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致廣泛的蛋白質(zhì)降解，繼而進(jìn)入大規(guī)模構(gòu)建階段。因此，運(yùn)動(dòng)可以用于蛋白質(zhì)分解和重建的交叉調(diào)控[54]。有研究發(fā)現(xiàn)，一次運(yùn)動(dòng)可使骨骼肌中的Hsp70在mRNA 和蛋白水平上以強(qiáng)度依賴的方式升高[55]，長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可以增加機(jī)體的Hsp70 的基線水平[56]。Hsp70 作為分子伴侶，有助于新生蛋白的正確折疊，并與非折疊蛋白相互作用，避免受損蛋白發(fā)生不適當(dāng)?shù)南嗷プ饔没蚪到鈁57]。對(duì)小鼠肌肉細(xì)胞進(jìn)行慢性收縮活動(dòng)，在分化4 天后骨骼肌細(xì)胞中伴侶蛋白減少，UPRmt選擇性激活，Sirt3 含量升高，線粒體生物發(fā)生增強(qiáng)[58]。在對(duì)老年小鼠的研究中也發(fā)現(xiàn)有氧運(yùn)動(dòng)可以導(dǎo)致線粒體失衡，增加老年小鼠骨骼肌中Hsp60、LONP1蛋白水平[59]，高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練也對(duì)老年小鼠骨骼肌的UPRmt有明顯的刺激作用[60]。這說明運(yùn)動(dòng)可以調(diào)控UPRmt，并引發(fā)后續(xù)的一系列反應(yīng)。

在基礎(chǔ)穩(wěn)態(tài)條件下，CHOP可以通過改變電子傳遞鏈中細(xì)胞核和線粒體編碼蛋白的正確化學(xué)計(jì)量來影響線粒體組成。在基礎(chǔ)條件下，CHOP下降可導(dǎo)致核編碼的細(xì)胞色素c 氧化酶4（cytochrome c oxidase Ⅳ，COXⅣ）表達(dá)下降，Tfam 無變化。而慢性收縮活動(dòng)可以阻止由CHOP 缺乏引起的COXⅣ下降，Sirt3 和伴侶蛋白10（chaperonin 10，CPN10）升高，肌管中線粒體生物發(fā)生增強(qiáng)2～3 倍，說明慢性收縮活動(dòng)可以通過UPRmt調(diào)控線粒體生物發(fā)生能力，改善線粒體功能。這項(xiàng)研究中還發(fā)現(xiàn)慢性收縮活動(dòng)可以完全逆轉(zhuǎn)因CHOP 缺失而產(chǎn)生的任何線粒體蛋白表達(dá)失衡，可能是由于慢性收縮活動(dòng)觸發(fā)了維持線粒體含量和組成的替代信號(hào)通路[58]，推測(cè)慢性收縮活動(dòng)觸發(fā)的UPRmt可能通過其Sirt3/FOXO3A/SOD2途徑或（和）AKT/ERα/OMI1途徑調(diào)控線粒體的生物發(fā)生功能。同樣，Hood 團(tuán)隊(duì)為探求在運(yùn)動(dòng)引起的線粒體適應(yīng)過程中UPRmt起到了何種作用，對(duì)大鼠進(jìn)行了不同時(shí)間跨度的慢性收縮活動(dòng)，結(jié)果表明，通過PGC-1αmRNA 的線粒體生物發(fā)生信號(hào)在慢性收縮活動(dòng)1 天后增加明顯，繼而導(dǎo)致細(xì)胞色素C 氧化酶活性、LC3-Ⅱ的自噬信號(hào)增加。同時(shí)，UPRmt相關(guān)伴侶蛋白Hsp70、Hsp60、10-kDa 和75-kDa 的線粒體熱休克蛋白均被不同程度誘導(dǎo)，但慢性收縮活動(dòng)誘導(dǎo)的線粒體適應(yīng)不受CHOP 誘導(dǎo)的影響[58，61]。以上證據(jù)表明：慢性運(yùn)動(dòng)可激活線粒體UPRmt，線粒體向細(xì)胞核的逆行信號(hào)可能參與調(diào)節(jié)基因表達(dá)對(duì)運(yùn)動(dòng)的適應(yīng)，也提示這一信號(hào)活動(dòng)似乎與CHOP 信號(hào)無關(guān)，而PGC-1α可以通過抑制FOXO3介導(dǎo)的各種E3泛素連接酶轉(zhuǎn)錄的途徑，抵抗肌肉萎縮進(jìn)程[62]。

線粒體是細(xì)胞的能量來源，其能量產(chǎn)生的結(jié)果是產(chǎn)生活性氧（reactive oxygen species，ROS），ROS 可能導(dǎo)致細(xì)胞損傷、蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊，最終影響機(jī)體健康或?qū)е滤ダ蟍63]。運(yùn)動(dòng)這一應(yīng)激的直接結(jié)果是使機(jī)體產(chǎn)生ROS，對(duì)于運(yùn)動(dòng)/骨骼肌收縮活動(dòng)而言，任何運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的訓(xùn)練適應(yīng)的過程都以特定蛋白質(zhì)的積累為中心，通過基因表達(dá)來促進(jìn)蛋白質(zhì)濃度的增加，這也是任何訓(xùn)練誘導(dǎo)反應(yīng)的基礎(chǔ)。適宜的運(yùn)動(dòng)類型、運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間可以通過產(chǎn)生少量的ROS觸發(fā)UPRmt反應(yīng)，產(chǎn)生細(xì)胞內(nèi)防御機(jī)制，促進(jìn)線粒體功能，而不適宜的運(yùn)動(dòng)則通過產(chǎn)生大量的ROS 觸發(fā)UPRmt影響線粒體形態(tài)、含量、質(zhì)量及功能，加重線粒體損傷或凋亡，進(jìn)而產(chǎn)生機(jī)體的負(fù)向效應(yīng)[64]。運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的線粒體蛋白合成，部分由PGC-1α調(diào)節(jié)，在收縮活動(dòng)開始時(shí)，在骨骼肌內(nèi)涉及線粒體生物發(fā)生的部分早期信號(hào)開始于PGC-1α的激活[61]，推測(cè)PGC-1α可能參與了UPRmt，進(jìn)而改變線粒體生物發(fā)生狀態(tài)[64]。同樣，也有研究稱ROS 參與骨骼肌中運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的PGC-1α的調(diào)節(jié)[65]，而ROS 是誘導(dǎo)UPRmt的因素之一，所以有理由相信：運(yùn)動(dòng)可能通過ROS 誘導(dǎo)的UPRmt調(diào)控PGC-1α表達(dá)，進(jìn)而對(duì)線粒體的生物發(fā)生產(chǎn)生影響，上文提及的AMPK 也可能在此過程中扮演重要角色。

3.2 運(yùn)動(dòng)可能介導(dǎo)線粒體未折疊蛋白反應(yīng)調(diào)控線粒體融合和分裂

線粒體的融合/分裂過程僅發(fā)生在應(yīng)激過后的數(shù)分鐘內(nèi)[66]，但其與有長(zhǎng)期效應(yīng)的線粒體質(zhì)量控制有關(guān)[67，68]，且不同的運(yùn)動(dòng)方式引起的線粒體融合和分裂也存在諸多不同。在生理?xiàng)l件下，一次性運(yùn)動(dòng)90 分鐘后，骨骼肌中線粒體分裂標(biāo)記物Fis1 和Dnm1L（編碼Drp1 蛋白）以及OPA1 的表達(dá)水平升高，在運(yùn)動(dòng)結(jié)束后的3 小時(shí)內(nèi)，這些基因的表達(dá)水平仍保持在較高水平，且Drp1 基因敲低時(shí)，肌肉細(xì)胞中的氧化代謝降低、乳酸產(chǎn)生增加[69]，而一次性有氧運(yùn)動(dòng)可增加嚙齒動(dòng)物和人類骨骼肌中線粒體融合標(biāo)志物Mfn1 和Mfn2 的mRNA 表達(dá)[70，71]，但這一研究結(jié)果并未在這一領(lǐng)域達(dá)成共識(shí)，也有研究稱一次性有氧運(yùn)動(dòng)不會(huì)引起線粒體融合和分裂的改變[72]。另一方面，高強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)可誘導(dǎo)線粒體融合蛋白Mfn1 和分裂蛋白Fis1 的蛋白表達(dá)[73]，而12 周有氧運(yùn)動(dòng)會(huì)使人骨骼肌中Fis1 的蛋白表達(dá)量下降[74]，使Mfn1和Mfn2的表達(dá)量增加[75]，故不同的運(yùn)動(dòng)方式引起的線粒體融合與分裂的變化特征存在不一致性和不確定性。

在某些病理?xiàng)l件下，運(yùn)動(dòng)降低糖尿病患者Drp1 在Ser616位點(diǎn)的磷酸化水平，增加脂肪酸氧化和胰島素敏感性[76]。同時(shí)，運(yùn)動(dòng)通過蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）促進(jìn)Drp1Ser637位點(diǎn)的磷酸化，抑制Drp1 活性，導(dǎo)致線粒體網(wǎng)絡(luò)整體伸長(zhǎng)[77，78]，這種改變可能與A 型激酶錨定蛋白1（A kinase anchor protein 1，AKAP1，也稱為AKAP121）的調(diào)控功能有關(guān)[79]。Hoffman 的研究也得到了相似的結(jié)論：長(zhǎng)期耐力訓(xùn)練可導(dǎo)致高脂膳食的大鼠Ser616處p-Drp1 與總Drp1 的比值降低，Mfn2 蛋白表達(dá)升高，說明長(zhǎng)期耐力訓(xùn)練可促進(jìn)線粒體生物發(fā)生的平衡，表現(xiàn)為同時(shí)引發(fā)線粒體分裂標(biāo)記物的減少和線粒體融合標(biāo)記物的增加[79]。

目前雖然沒有文獻(xiàn)直接指出運(yùn)動(dòng)通過介導(dǎo)UPRmt調(diào)控線粒體融合和分裂能力，但通過前文推論可知，運(yùn)動(dòng)可以激活機(jī)體UPRmt，控制線粒體數(shù)量與質(zhì)量。同時(shí)，UPRmt也可調(diào)控Drp1、Fis1 和Mfn2 等協(xié)同線粒體融合和分裂的主要蛋白，而運(yùn)動(dòng)也可以通過線粒體的融合和分裂調(diào)節(jié)線粒體質(zhì)量控制機(jī)制。因此，有理由相信，運(yùn)動(dòng)可能通過UPRmt調(diào)控線粒體的融合與分裂，進(jìn)而改善線粒體質(zhì)量控制能力，但其調(diào)控機(jī)制有待于進(jìn)行深入研究。

4 小結(jié)與展望

線粒體未折疊蛋白反應(yīng)可以通過多種途徑調(diào)控線粒體質(zhì)量控制能力，使線粒體生物發(fā)生、線粒體自噬、線粒體融合與分裂等機(jī)能出現(xiàn)適應(yīng)性改變，進(jìn)而維持穩(wěn)定健康的線粒體池，改善細(xì)胞生存能力，保證機(jī)體良好的機(jī)能狀態(tài)。在生理狀態(tài)下和應(yīng)激狀態(tài)下，線粒體變化的每一個(gè)過程都是相伴而生、相互依賴的，維持各過程之間的平衡尤為重要。運(yùn)動(dòng)作為一種特殊的應(yīng)激源，可以通過介導(dǎo)UPRmt調(diào)控線粒體質(zhì)量控制程序，維持這種平衡狀態(tài)（見圖1），但對(duì)上述反應(yīng)的研究多集中在細(xì)胞層面，對(duì)哺乳動(dòng)物中運(yùn)動(dòng)通過UPRmt調(diào)控線粒體質(zhì)量控制的機(jī)制研究仍鮮有報(bào)道。

圖1 運(yùn)動(dòng)通過線粒體未折疊蛋白反應(yīng)調(diào)控線粒體質(zhì)量控制機(jī)制示意圖

運(yùn)動(dòng)可以通過介導(dǎo)UPRmt反應(yīng)調(diào)控線粒體質(zhì)量控制過程，但何種運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間是通過ROS誘發(fā)UPRmt產(chǎn)生線粒體正向效應(yīng)的閾值？已有文獻(xiàn)提出低氧條件可誘發(fā)UPRmt[80，81]，但由UPRmt介導(dǎo)的最大限度促進(jìn)線粒體功能的氧濃度數(shù)值范圍是什么？低氧暴露主要是通過UPRmt的哪條信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑發(fā)揮主要作用？各信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑間是否存在交互作用？運(yùn)動(dòng)復(fù)合低氧暴露如何通過UPRmt影響線粒體質(zhì)量控制？這些都是有待于深入研究的議題。