鄭天琳 張文淵 春 雷 劉劍峰

（華中科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，武漢 430074）

秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans，C.elegans），雌雄同體，雄性個(gè)體僅占群體的0.2%，是分子生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)與衰老生物學(xué)研究的經(jīng)典模式生物。

隨著時(shí)間的推移，生物體都將面臨衰老的考驗(yàn)。衰老對(duì)個(gè)體而言是一個(gè)有害而復(fù)雜的過程，伴隨著衰老的進(jìn)行，細(xì)胞和機(jī)體動(dòng)態(tài)平衡逐漸下降［1］。而衰老造成的細(xì)胞水平的機(jī)能障礙很大程度上是由蛋白質(zhì)和細(xì)胞器損傷的逐漸積累導(dǎo)致。線粒體是生物機(jī)體內(nèi)極其重要的細(xì)胞器，多數(shù)與衰老相關(guān)的疾病，特別是神經(jīng)退行性疾病，都與線粒體功能紊亂有關(guān)。在衰老過程中，線粒體會(huì)因?yàn)槎喾N因素導(dǎo)致自身功能下降。當(dāng)線粒體的功能受損時(shí)，細(xì)胞會(huì)激活一種稱為線粒體未折疊蛋白反應(yīng)（mitochondrial unfolded protein response， UPRmt）的轉(zhuǎn)錄應(yīng)答機(jī)制，從而維持線粒體蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)［2］，應(yīng)對(duì)環(huán)境壓力，保持機(jī)體健康。UPRmt作為一種保守的機(jī)制，在各生物中都有廣泛的發(fā)現(xiàn)與研究。而線蟲作為一種生命周期短、一般情況下可以自交繁殖、進(jìn)化機(jī)制保守的模式生物，是研究UPRmt極佳的模式動(dòng)物。本文主要討論了線粒體的特征、線蟲中UPRmt的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制及其對(duì)線蟲壽命的影響。

1 線粒體

線粒體是膜結(jié)合的細(xì)胞器，具有外膜和內(nèi)膜，將其分割成膜間空間（inner membrane space，IMS）與基質(zhì)（matrix）兩個(gè)部分。線粒體在生物體中有著重要而普遍的作用，它主要承擔(dān)3個(gè)關(guān)鍵的功能，分別是提供能量、進(jìn)行代謝和誘導(dǎo)凋亡。線粒體負(fù)責(zé)通過三羧酸循環(huán)（tricarboxylic acid cycle，TCA）協(xié)調(diào)還原態(tài)煙酰胺腺嘌呤二核苷酸NADH供體底物的合成，并負(fù)責(zé)產(chǎn)生來自氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHOS）的能量，還參與了從鈣穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)到先天免疫反應(yīng)和程序性細(xì)胞死亡的眾多生物學(xué)過程［3］。

哺乳動(dòng)物的線粒體含有1500 多種蛋白質(zhì)，但只有13種OXPHOS的蛋白質(zhì)（線蟲中有12種）是由線粒體DNA（mtDNA）編碼而成［4］。因此線粒體內(nèi)的蛋白質(zhì)組由線粒體基因編碼蛋白和核基因編碼蛋白共同構(gòu)成。核基因編碼的蛋白質(zhì)首先在細(xì)胞質(zhì)中翻譯，再被靶向?qū)?，并分選到線粒體的不同區(qū)室中，如進(jìn)入線粒體基質(zhì)內(nèi)、定位在線粒體內(nèi)膜或者外膜上、游離在IMS 內(nèi)部等［5］。這些蛋白質(zhì)在進(jìn)入線粒體后會(huì)先進(jìn)行高度折疊，接著與mtDNA 編碼的蛋白質(zhì)亞基按照固定比例組裝成有功能的大分子蛋白質(zhì)復(fù)合物。這種線粒體內(nèi)的組裝主要依靠線粒體分子伴侶［6-8］和蛋白酶［9］完成。線粒體熱休克蛋白70 （mitochondrial heat shock protein 70，mtHsp70）是一個(gè)重要的分子伴侶蛋白，它與基質(zhì)側(cè)的內(nèi)膜導(dǎo)入復(fù)合物有關(guān)，并積極介導(dǎo)新生蛋白的導(dǎo)入和折疊。另外，線粒體編碼的熱休克蛋白相關(guān)蛋白1（translocon-associated protein 1，TRAP1/mtHsp90）和少量核編碼的大分子伴侶熱休克蛋白60/熱休克蛋白10（heat shock protein 60/heat shock protein 10，Hsp60/10）復(fù)合物，也促進(jìn)了線粒體基質(zhì)定位蛋白質(zhì)的折疊［6-8］。線粒體核糖體［10］和呼吸鏈成分［11］則由這些線粒體內(nèi)的分子伴侶進(jìn)行組裝。線粒體中的多種蛋白酶也是維持其內(nèi)部蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的重要調(diào)節(jié)因子?；|(zhì)中含有Lon 蛋 白 酶 同 源 物（Lon protease homolog，mitochondrial，LonP）和人酪蛋白水解線粒體基質(zhì)肽酶蛋白水解亞基同源物 （caseinolytic mitochondrial matrix peptidase proteolytic subunit，ClpP）兩種主要的蛋白酶復(fù)合物［9］，用來降解含有特殊結(jié)構(gòu)的肽鏈，從而促進(jìn)降解線粒體中大多數(shù)受損的蛋白質(zhì)。

2 線粒體的蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)與UPRmt

蛋 白 質(zhì) 穩(wěn) 態(tài) （proteostasis， protein homeostasis）是指在特定時(shí)間點(diǎn)細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)組中的特定蛋白質(zhì)合成、折疊與去折疊、修飾與降解等過程達(dá)到的一種平衡狀態(tài)［12］。由于線粒體的多種功能依賴于復(fù)雜的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，因此蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)對(duì)于線粒體來說至關(guān)重要。

在復(fù)雜性層次不同的生物中，線粒體蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)防御通路的缺陷會(huì)對(duì)機(jī)體的健康和衰老產(chǎn)生重大影響。許多編碼調(diào)控線粒體蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)機(jī)制的基因突變會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)崩潰的加劇，最終表現(xiàn)為衰老相關(guān)疾病。此外，急性環(huán)境損傷，如暴露在以線粒體為靶標(biāo)的殺蟲劑、除草劑和抗生素中，會(huì)產(chǎn)生大量的錯(cuò)誤蛋白，導(dǎo)致線粒體蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)平衡的過度負(fù)載，并且擾亂線粒體穩(wěn)態(tài)。

蛋白質(zhì)折疊穩(wěn)態(tài)是細(xì)胞適應(yīng)性的核心，生命體在對(duì)壓力的抗?fàn)幹羞M(jìn)化出多種反應(yīng)用以保持機(jī)體的穩(wěn)態(tài)，其中很重要的一種反饋機(jī)制就是未折疊蛋白反應(yīng)（unfolded protein response，UPR）。這種反應(yīng)首先在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中被發(fā)現(xiàn)［13］，當(dāng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中積累大量的未折疊蛋白或錯(cuò)誤蛋白，這種信號(hào)被分子伴侶識(shí)別并傳導(dǎo)到細(xì)胞核中，通過轉(zhuǎn)錄因子促進(jìn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)分子伴侶的轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)，一方面幫助未折疊的蛋白質(zhì)進(jìn)行折疊，一方面抑制翻譯從而降低折疊的負(fù)荷［14］。在線粒體中，也存在相似的蛋白質(zhì)反饋機(jī)制，稱之為UPRmt。細(xì)胞采用質(zhì)量控制（quality control）機(jī)制來積極監(jiān)測(cè)線粒體功能，在出現(xiàn)線粒體損傷時(shí)啟動(dòng)UPRmt進(jìn)行保護(hù)。UPRmt能夠?qū)⒕€粒體應(yīng)激信號(hào)傳遞至細(xì)胞核，以啟動(dòng)對(duì)蛋白酶和分子伴侶等細(xì)胞核編碼的線粒體保護(hù)基因的轉(zhuǎn)錄［15］。UPRmt需要激活廣泛的基因表達(dá)來抵消線粒體應(yīng)激，同時(shí)染色質(zhì)修飾相關(guān)的酶會(huì)誘導(dǎo)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而影響相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平。此外，UPRmt的激活也會(huì)導(dǎo)致大量的代謝重組，如上調(diào)抗氧化酶的表達(dá)，激活與糖酵解相關(guān)的基因并抑制與氧化磷酸化相關(guān)的基因［16］，從而重置細(xì)胞代謝狀態(tài)。

引起UPRmt激活的因素十分廣泛，主要包括阻斷線粒體翻譯［17］、核DNA（nDNA）與線粒體DNA 翻譯 之間 的不 均衡［17］、線 粒 體DNA 的 缺失［18］、表達(dá)錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)［19］、靶向損傷線粒體伴侶或蛋白酶［20］、過量的ROS［21］和電子傳遞鏈損傷［22］等。激活UPRmt反應(yīng)對(duì)于機(jī)體而言能夠保護(hù)細(xì)胞免受更廣泛的線粒體應(yīng)激，可以調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)［23］、引起代謝重組［15-16］、協(xié)調(diào)電子傳遞鏈組分和核基因組的表達(dá)［17］、激活免疫反應(yīng)［24-25］、調(diào)節(jié)發(fā)育［26］、保護(hù)心臟［27］、延長(zhǎng)壽命等［22，28-29］。

3 UPRmt的相關(guān)信號(hào)通路與傳遞

線粒體作為一個(gè)有著雙層膜結(jié)構(gòu)的細(xì)胞器，與細(xì)胞質(zhì)之間的信息或蛋白質(zhì)交流有著較為嚴(yán)格的獨(dú)特性質(zhì)，不能共享細(xì)胞質(zhì)中普適的維持蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的分子機(jī)制。因此，在這種特殊的條件下，線粒體進(jìn)化出了一種細(xì)胞器之間的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳遞機(jī)制，主要通過線粒體-細(xì)胞核之間的信號(hào)通路進(jìn)行UPRmt的信號(hào)傳導(dǎo)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)線粒體蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)、應(yīng)對(duì)壓力、保證生存等目的。

在線蟲中，壓力相關(guān)轉(zhuǎn)錄激活因子1（activating transcription factor associated with stress-1，ATFS-1） 是研究得最透徹的UPRmt相關(guān)信號(hào)分子［18］。它是哺乳動(dòng)物細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄激活因子ATF5的同源異構(gòu)體，是一種有著堿性亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)域（basic leucine zipper domain，bZPIP） 的bZIP 蛋白［30］。作為UPRmt的主要激活因子，ATFS-1 蛋白既包含C 端的核定位序列（nuclear localization sequence，NLS），又具有N 端的線粒體定位序列（mitochondrial localization sequence，MLS），并且在不同的壓力條件下有著相應(yīng)的定位策略，極其適合將線粒體應(yīng)激傳遞給細(xì)胞核［15］。在無壓力的基礎(chǔ)條件下，由于線粒體膜電位較高，蛋白質(zhì)向線粒體的運(yùn)輸十分充沛，ATFS-1 通過N端的MLS 序列優(yōu)先進(jìn)入線粒體。一旦輸入線粒體，其中的蛋白酶家族成員LonP 將其迅速降解至無法檢測(cè)的水平。這時(shí)ATFS-1 并不會(huì)影響線粒體內(nèi)部蛋白質(zhì)的正常環(huán)境。然而，當(dāng)線粒體感受到外界壓力，線粒體蛋白質(zhì)的輸入通道關(guān)閉［31］，ATFS-1蛋白N端的MLS將不能正常發(fā)揮功效，導(dǎo)致ATFS-1 蛋白在細(xì)胞質(zhì)中大量積聚，促使其通過C端的核定位序列進(jìn)入細(xì)胞核中［15］。當(dāng)ATFS-1順利進(jìn)入細(xì)胞核后，會(huì)激活核基因組轉(zhuǎn)錄從而激活UPRmt，以達(dá)到對(duì)線粒體壓力進(jìn)行的反饋調(diào)控。染色質(zhì)免疫共沉淀測(cè)序?qū)嶒?yàn)表明，ATFS-1 在進(jìn)入細(xì)胞核后，促進(jìn)了線粒體分子伴侶基因、ROS 解毒基因、糖酵解基因、先天免疫基因等上調(diào)，抑制了TCA和OXPHOS基因的產(chǎn)生，從而多方面調(diào)節(jié)線粒體蛋白質(zhì)的穩(wěn)態(tài)［32］。

然而，ATFS-1并不是激活UPRmt的唯一轉(zhuǎn)錄因子。在700 多個(gè)激活UPRmt的實(shí)驗(yàn)中，只有400 多個(gè)是通過ATFS-1轉(zhuǎn)錄因子激活［15］。因此，還存在著其他多種可以激活UPRmt的信號(hào)通路。泛素樣蛋白5（ubiquitin-like protein 5，UBL-5）［23］以及果蠅前心室缺陷蛋白同源物1（defective proventriculus in drosophila homolog 1，DVE-1）［33］是在線蟲中最早發(fā)現(xiàn)的可以引起UPRmt的信號(hào)分子。UBL-5在細(xì)胞核中的累積指示著線粒體應(yīng)激反應(yīng)，并且與后續(xù)的蛋白質(zhì)翻譯后修飾相關(guān)［23］。而DVE-1 作為一種轉(zhuǎn)錄因子，會(huì)和輔因子UBL-5 形成物理上的相互作用，組成復(fù)合物，從而在線粒體應(yīng)激時(shí)調(diào)節(jié)核內(nèi)參與線粒體細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)的分子伴侶mtHsp70 和Hsp60 的基因轉(zhuǎn)錄［33］。后續(xù)相關(guān)研究也發(fā)現(xiàn)，DVE-1 與UBL-5 的聯(lián)合作用也受到組蛋白甲基轉(zhuǎn)移 酶2 （histone methyltransferase-like 2，MET-2）與其輔因子異常細(xì)胞譜系蛋白LIN-65 的調(diào)控［28］。正因?yàn)閁PRmt的完全激活過程需要染色質(zhì)的重塑，表觀遺傳學(xué)相關(guān)的信號(hào)通路也是UPRmt調(diào)節(jié)的重要因素。除了甲基轉(zhuǎn)移酶MET-2 和其輔因子LIN-65之外，兩種組蛋白去甲基轉(zhuǎn)移酶十文字域蛋白JMJD-3.1（jumonji domain protein 3.1）與JMJD-1.2（jumonji domain protein 1.2）也是參與UPRmt的重要信號(hào)分子［29］。在UPRmt的狀態(tài)下，組蛋白H3K9通過MET-2 大量二甲基化，DVE-1 與LIN-65 在核中聚集，細(xì)胞核緊縮，整體基因沉默［28］；與此同時(shí)，JMJD-3.1 與JMJD-1.2 共同作用，將三甲基化的H3K9去除兩個(gè)甲基，使之成為具有活性的一甲基化的組蛋白，釋放DNA［29］，招募ATFS-1 和DVE-1等UPRmt相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子，大量調(diào)節(jié)相關(guān)分子的轉(zhuǎn)錄與翻譯，從而更好地對(duì)抗壓力，維持線粒體穩(wěn)態(tài)。最新研究也發(fā)現(xiàn)，除了組蛋白的甲基化參與了UPRmt的調(diào)節(jié)，組蛋白的乙酰化也在UPRmt的調(diào)控中起著重要的作用。在線蟲中組蛋白去乙酰化酶1（histone deacetylase，HDA-1）同樣也是激活UPRmt所必須的分子，它和DVE-1 一起調(diào)節(jié)UPRmt相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄［34］。同年，另一研究也發(fā)現(xiàn)，包含有HDA-1 的核小體重塑和組蛋白去乙?；笍?fù)合 物NuRD （nucleosome remodelling and histone deacetylase）通過感受線粒體壓力條件下乙酰輔酶A水平的降低，誘導(dǎo)DVE-1的核積累，從而降低組蛋白乙?；乃?，激活UPRmt反應(yīng)且延長(zhǎng)了線蟲的壽命［35］。以上研究表明，近年來生物學(xué)界研究的熱點(diǎn)——表觀遺傳，也與UPRmt有著密不可分的聯(lián)系。

此外，還有一種全新且獨(dú)立于ATFS-1 與DVE-1 這兩個(gè)常見轉(zhuǎn)錄因子的信號(hào)通路，也可以激活UPRmt。鞘氨酸肌醇激酶1 （sphingosine kinase-1，SPHK-1）［36］就是這個(gè)信號(hào)通路中最重要的分子之一，在感受到線粒體壓力后，SPHK-1 會(huì)在線粒體外膜有一個(gè)快速且可逆的定位，且隨之催化鞘氨醇（sphingosine，SPH）轉(zhuǎn)化為1-磷酸鞘氨醇（S1P）。而S1P可能會(huì)作為一種分泌信號(hào)對(duì)壓力進(jìn)行傳遞，或者作為細(xì)胞內(nèi)信號(hào)分子激活UPRmt。此方面相關(guān)的下游分子機(jī)制仍不明確，但為UPRmt的激活提出了一個(gè)全新的胞內(nèi)信號(hào)通路，擴(kuò)展了對(duì)UPRmt的理解（圖1）。

Fig.1 Cell-autonomous UPRmt-related signaling pathways圖1 細(xì)胞自主性UPRmt相關(guān)信號(hào)通路

4 組織間的UPRmt傳導(dǎo)通路

上述有關(guān)信號(hào)通路的研究都是發(fā)生在同一細(xì)胞內(nèi)，是細(xì)胞自主性UPRmt的表現(xiàn)。然而，對(duì)于線蟲線粒體功能研究表明，UPRmt信號(hào)不僅在那些正在經(jīng)歷線粒體應(yīng)激的細(xì)胞內(nèi)發(fā)生，還會(huì)在組織間進(jìn)行傳遞，同時(shí)產(chǎn)生一種細(xì)胞非自主性的UPRmt。在最初的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)特異性地降低或敲除線蟲神經(jīng)元中線粒體電子傳遞鏈（electron transport chain，ETC）復(fù)合物亞基時(shí)，不僅會(huì)激活神經(jīng)組織自身的UPRmt，還會(huì)引發(fā)腸道組織的UPRmt［22］。由于技術(shù)原因，當(dāng)時(shí)并未發(fā)現(xiàn)是哪些因子引起組織間的UPRmt，于是類比細(xì)胞因子“cytokine”，研究者將這些由于線粒體應(yīng)激而產(chǎn)生的未知因子命名為“mitokine”。然而，隨著線粒體穩(wěn)態(tài)、線粒體UPRmt研究的深入，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多種分泌因子參與了組織間UPRmt的信號(hào)傳遞。

5-羥色胺（5-HT）是一種抑制型的小分子單胺類神經(jīng)遞質(zhì)，在神經(jīng)元中有著廣泛的分布。它是參與組織間UPRmt信號(hào)傳遞的重要分泌因子之一［37］。在神經(jīng)組織中特異性表達(dá)多聚谷氨酰胺40（polyQ40）蛋白，可以誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生UPRmt信號(hào)，激活突觸囊泡外泌相關(guān)的鈣依賴分泌激活因子同源物UNC-31和5-HT合成的關(guān)鍵酶——5-羥色氨酸羥化酶TPH-1，分泌并釋放5-HT 進(jìn)行組織間的信號(hào)傳導(dǎo)，從而引起下游腸道內(nèi)細(xì)胞非自主性UPRmt的激活［37］。

除了5-HT這種小分子神經(jīng)遞質(zhì)依賴的信號(hào)傳遞途徑外，神經(jīng)肽也在細(xì)胞非自主性UPRmt中起重要作用。3個(gè)感受神經(jīng)元ASK、AWC、AWA和1個(gè)中間神經(jīng)元AIA會(huì)組成感知和傳遞線粒體應(yīng)激的神經(jīng)通路，在這個(gè)神經(jīng)通路中特異性地引發(fā)UPRmt后，F(xiàn)MRF（苯丙氨酰-甲硫氨酰-精氨酰-苯丙氨酰胺，H-Phe-Met-Arg-Phe-NH2）類似神經(jīng)肽FLP-2隨之分泌釋放，傳遞神經(jīng)細(xì)胞中產(chǎn)生的線粒體壓力信號(hào)，從而誘導(dǎo)腸道細(xì)胞非自主性UPRmt的產(chǎn)生［38］。

此外，胞間分泌的其他因子也可以參與細(xì)胞非自主性UPRmt的信號(hào)傳遞。Wnt信號(hào)通路常用于臨近細(xì)胞之間的通信（旁分泌）或同個(gè)細(xì)胞自身的通信（自分泌），是一系列多功能且常見的分泌因子［39］。逆轉(zhuǎn)運(yùn)復(fù)合體中的組分液泡蛋白分選同源物VPS-35 與Wnt 分泌因子MIG-14 組成囊泡復(fù)合物，運(yùn)輸并分泌Wnt蛋白配體EGL-20，EGL-20蛋白再與腸道細(xì)胞膜上的Frizzled 受體相結(jié)合，共同穩(wěn)定β連環(huán)蛋白（β-catenin），使之進(jìn)入腸道細(xì)胞核內(nèi)，從而與轉(zhuǎn)錄因子共同誘導(dǎo)腸道細(xì)胞產(chǎn)生細(xì)胞非自主性的UPRmt［40］。雖然機(jī)理并未清晰，EGL-20介導(dǎo)的細(xì)胞非自主性UPRmt產(chǎn)生的過程也是依賴5-HT的［40］。最新研究還發(fā)現(xiàn)，促卵泡激素G蛋白偶聯(lián)受體1（follicle stimulating hormone receptor 1，F(xiàn)SHR-1）在神經(jīng)元中的特異性表達(dá)也可以經(jīng)由一系列信號(hào)傳導(dǎo)，激活腸道細(xì)胞中的SPHK-1，促進(jìn)SPH向S1P的轉(zhuǎn)化，從而激活腸道細(xì)胞非自主性的UPRmt反應(yīng)［41］。

經(jīng)過系列實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)鑒定出了多種神經(jīng)到腸道組織間通訊的信號(hào)分子，并且檢測(cè)到了腸道組織中細(xì)胞非自主性UPRmt的激活，然而腸道組織感受UPRmt信號(hào)的表面受體及其信號(hào)傳遞機(jī)制仍不清晰。

以上研究均為細(xì)胞非自主性UPRmt信號(hào)在神經(jīng)元與腸道細(xì)胞之間的傳遞。除此之外，這種通訊也可以在線蟲生殖細(xì)胞與腸道細(xì)胞之間進(jìn)行。在超級(jí)長(zhǎng)壽的daf-2：rsks-1雙突變線蟲的生殖細(xì)胞中存在一系列蛋白質(zhì)翻譯水平的改變，導(dǎo)致線粒體中細(xì)胞色素C蛋白CYC-2.1下調(diào)，進(jìn)而激活腸道細(xì)胞中的UPRmt，并顯著延長(zhǎng)線蟲壽命［42］。然而，這種生殖細(xì)胞到腸道細(xì)胞之間進(jìn)行傳遞的“g-mitokine”（germline-mitokine）仍未發(fā)現(xiàn)。

綜上所述，細(xì)胞非自主性UPRmt的分子機(jī)制仍有許多不明確之處，不同組織之間可能會(huì)有更多全新的細(xì)胞非自主性傳遞機(jī)制，下游組織細(xì)胞表面受體的激活機(jī)制有待研究，還有更多線粒體相關(guān)的分泌因子“mitokine”亟待發(fā)掘（圖2，3）。

Fig.2 Cellular non-autonomous UPRmt-related signaling pathways between nerval and intestinal cells圖2 神經(jīng)細(xì)胞與腸道細(xì)胞間的細(xì)胞非自主性UPRmt相關(guān)信號(hào)通路

Fig.3 Cellular non-autonomous UPRmt-related signaling pathway between germline and intestinal cells圖3 生殖細(xì)胞與腸道細(xì)胞間的細(xì)胞非自主性UPRmt相關(guān)信號(hào)通路

5 UPRmt與線蟲壽命

UPRmt在細(xì)胞與組織水平的主要作用是緩解線粒體壓力，投射在整個(gè)機(jī)體中，則會(huì)產(chǎn)生多種保護(hù)性功能。多項(xiàng)研究證明，引起UPRmt產(chǎn)生的相關(guān)信號(hào)分子在延長(zhǎng)壽命方面發(fā)揮了重要作用。例如，過表達(dá)組蛋白脫甲基酶JMJD-2.1可以激活UPRmt并延長(zhǎng)線蟲的壽命［29］，過表達(dá)Wnt/EGL-20可以激活細(xì)胞非自主UPRmt，并延長(zhǎng)線蟲壽命［40］。

適度進(jìn)行線粒體平衡的擾動(dòng)可以延長(zhǎng)線蟲的壽命，且與UPRmt的激活存在很強(qiáng)的相關(guān)性。其中重要的一點(diǎn)就是改變了線粒體內(nèi)nDNA 與mtDNA 翻譯蛋白之間的比例，產(chǎn)生了翻譯的不均衡，從而激活UPRmt，并且對(duì)壽命增加有著極強(qiáng)的正反饋?zhàn)饔?。如雷帕霉素抑制TOR 信號(hào)以改變nDNA 的翻譯，以UBL-5依賴性的方式誘導(dǎo)UPRmt，并使線蟲壽命延長(zhǎng)了16%，這與ATP 水平增加，及nDNA/mtDNA 氧化磷酸化蛋白比率改變有關(guān)［43-44］。在表觀遺傳閱讀器BAZ-2 和H3K9 甲基轉(zhuǎn)移酶SET-6 基因突變的線蟲中，也發(fā)現(xiàn)了nDNA/mtDNA 翻譯水平的不均衡能夠激發(fā)UPRmt并使線蟲壽命延長(zhǎng)［45］。此外，白藜蘆醇作為具有延壽功能的添加藥物，也可以誘導(dǎo)肝細(xì)胞中的nDNA編碼蛋白失衡，并通過UBL-5 激發(fā)UPRmt，延長(zhǎng)線蟲壽命，并且增加呼吸作用，保持ATP水平和檸檬酸合成酶活性［43-44］。

另一方面，適當(dāng)敲低mtDNA或干擾mtDNA的正常翻譯也可以激活UPRmt并延長(zhǎng)壽命。例如，當(dāng)線粒體暴露在低劑量的溴化乙錠中時(shí)，會(huì)特異性地抑制mtDNA 的轉(zhuǎn)錄，使nDNA/mtDNA 翻譯不均衡，誘發(fā)UPRmt，引起壽命的延長(zhǎng)［46］。而特異性干擾mtDNA 編碼的蛋白基因，如用RNAi 的方法降低 線 粒 體 小 核 糖 體 蛋 白MRPS-5［17］、 降 低OXPHOS復(fù)合物IV中的細(xì)胞色素氧化酶組裝蛋白1（cytochrome oxidase assembly protein 1，CCO-1）［22］、或者降低富含亮氨酸的PPR 基序蛋白LRPPRC［47］表達(dá)水平，都可激活線蟲的UPRmt，并延長(zhǎng)壽命。

以上實(shí)驗(yàn)證明，通過多種方法影響線粒體內(nèi)nDNA編碼蛋白與mtDNA編碼蛋白之間的不均衡，可以有效誘導(dǎo)UPRmt的發(fā)生，并且對(duì)壽命有著延長(zhǎng)的效果。然而，UPRmt的激活并不是機(jī)體壽命延長(zhǎng)的充分條件。例如，降低OXPHOS 復(fù)合物II 琥珀酸脫氫酶的線蟲同源物MEV-1會(huì)激活UPRmt，但并不會(huì)延長(zhǎng)線蟲的壽命［22，48］。這可能是由于MEV-1的所有亞基是由nDNA單獨(dú)編碼，而不是由nDNA與mtDNA共同編碼，降低MEV-1不會(huì)產(chǎn)生這種不同來源蛋白質(zhì)復(fù)合物的配比失衡，因此并不會(huì)延長(zhǎng)線蟲壽命。此外，經(jīng)過RNAi篩選實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，并不是所有引發(fā)UPRmt的基因都可以延長(zhǎng)壽命，且atfs-1功能獲得突變（gain of function）中有UPRmt的組成性活性，但蟲株并未顯示出壽命延長(zhǎng)的表型，其中的內(nèi)在機(jī)制仍不清晰［49］。

除了激活UPRmt可以直接引起機(jī)體壽命延長(zhǎng)之外，生物機(jī)體的長(zhǎng)壽效果同時(shí)還需要線粒體其他多方面應(yīng)激反應(yīng)途徑的激活。NAD+是調(diào)節(jié)代謝穩(wěn)態(tài)的重要輔助因子，在老年線蟲中表達(dá)水平大幅降低，增加NAD+的水平與過表達(dá)的人源sirtuin 同源物SIR-2.1 相互作用激活UPRmt；同時(shí)，增加的NAD+水平也激活了FOXO 調(diào)控細(xì)胞超氧化物歧化酶SOD-3通路，UPRmt和ROS防御的聯(lián)合激活可以抑制線蟲衰老相關(guān)的衰退，從而達(dá)到延長(zhǎng)壽命的效果［50］。線蟲神經(jīng)細(xì)胞中的行為衰老調(diào)控基因rgba-1可以表達(dá)多種神經(jīng)肽，它可與神經(jīng)肽受體家族NPR-28 結(jié)合，并且通過調(diào)控SIR-2.1 激活的UPRmt通路調(diào)節(jié)線蟲壽命［51］。線粒體產(chǎn)生的ROS也通過細(xì)胞程序化死亡機(jī)制共同增加壽命［52］。以上多種作用與UPRmt一起，共同維持線粒體穩(wěn)態(tài)，調(diào)節(jié)壽命，從而保證生命體的健康存活。

6 總結(jié)與展望

近十年來，有關(guān)UPRmt的研究已經(jīng)被證實(shí)遠(yuǎn)超出了其維持蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的基本功能。多種UPRmt信號(hào)直接參與蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄以及染色質(zhì)重塑，也影響衰老相關(guān)的線粒體功能。這些研究表明，該領(lǐng)域?qū)⒃谡{(diào)控模式和生理作用等方面得到進(jìn)一步發(fā)展。然而，蛋白質(zhì)未折疊反應(yīng)也是一把雙刃劍，雖然UPRmt的短期激活可能是有益的，并可能作為未來多種疾病的治療靶點(diǎn)，但長(zhǎng)期激活這種反應(yīng)的影響尚不完全清晰，可能會(huì)影響線粒體的正常功能，這對(duì)生命體是否能健康存活也是一種挑戰(zhàn)。由于UPRmt研究的主要機(jī)制已經(jīng)較為清晰［53］，近五年來，相關(guān)研究的重點(diǎn)主要放在表觀遺傳與UPRmt以及細(xì)胞間非自主性UPRmt的調(diào)控機(jī)制上。

本文系統(tǒng)性地總結(jié)了UPRmt細(xì)胞內(nèi)與細(xì)胞間信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的相關(guān)機(jī)制，詳細(xì)介紹了UPRmt激活的基礎(chǔ)信號(hào)通路ATFS-1/DVE-1/UBL-5 等，并且也將近年來表觀遺傳對(duì)UPRmt的調(diào)控機(jī)制進(jìn)行了總結(jié)，發(fā)現(xiàn)組蛋白的甲基化相關(guān)酶，如MET-2 和JMJD 家族，以及組蛋白的乙酰相關(guān)酶如包含有HDA-1的NuRD復(fù)合物都可以參與線粒體壓力后的翻譯，從而維持線粒體穩(wěn)態(tài)，恢復(fù)機(jī)體的健康。另一方面，隨著組織間細(xì)胞非自主性UPRmt激活機(jī)制研究的深入，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多種“mitokine”參與組織間線粒體壓力信號(hào)的傳遞，并且也發(fā)現(xiàn)多種組織，如神經(jīng)細(xì)胞和生殖細(xì)胞，都參與到了這種細(xì)胞非自主性的信號(hào)傳遞中去。這很可能是生命體進(jìn)化出的一種自我保護(hù)與修復(fù)的機(jī)制，若所有細(xì)胞都必須歷經(jīng)外界壓力造成的損傷再進(jìn)行“按部就班”地修復(fù)，必將對(duì)機(jī)體的健康與正常運(yùn)作造成不可忽視的影響，而這種組織間的信號(hào)傳遞相當(dāng)于一個(gè)“預(yù)警”機(jī)制，提前激活了下游壓力正常組織的修復(fù)效應(yīng)，從而更加迅速高效地應(yīng)對(duì)外界損傷帶來的挑戰(zhàn)。

此外，本文也討論了UPRmt對(duì)于壽命的影響。雖然，從壓力回復(fù)等方面來說，UPRmt在很大程度上是有益的，通過激活相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄與蛋白質(zhì)的翻譯，維持蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)，引起代謝重組，誘導(dǎo)一系列壓力應(yīng)激反應(yīng)的激活，進(jìn)而延長(zhǎng)機(jī)體的壽命，但是這種激活對(duì)于延壽效果來說并不是充分且必要的條件。也許壽命延長(zhǎng)的效果僅僅是UPRmt對(duì)于壓力緩解帶來的一種附加功效，或者說，輕微、短期、有限定條件的UPRmt可以延長(zhǎng)壽命，而強(qiáng)烈、長(zhǎng)期、普遍性的UPRmt激活可能與延壽效果并不相關(guān)。本文對(duì)UPRmt相關(guān)的機(jī)制以及最新研究做了詳細(xì)且系統(tǒng)的介紹，為日后的進(jìn)一步研究提供了參考。

最后，ATFS-1 和DVE-1 等相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子如何獨(dú)立激活UPRmt的機(jī)制尚未完全清晰，UPRmt與組蛋白修飾相關(guān)的機(jī)制也有疑點(diǎn)亟待發(fā)掘，細(xì)胞非自主性UPRmt的組織間傳遞的信號(hào)分子也并不完全明確，壓力信號(hào)在胞質(zhì)與細(xì)胞核內(nèi)傳導(dǎo)方式依舊有極大的發(fā)掘空間，UPRmt有關(guān)壽命的調(diào)控機(jī)制也仍需研究，這些問題還需要日后更多的實(shí)驗(yàn)使人們對(duì)UPRmt領(lǐng)域的認(rèn)知更加完善。