线粒体如何分裂和融合？一篇搞懂最新国自然热点

             线粒体的动态行为使细胞能够应对不断变化的生理条件。线粒体动力学是指线粒体裂变、融合、自噬和运输的变化过程。线粒体分裂和融合是一种动态平衡关系，维持着细胞内健康的线粒体网络。在之前的线粒体系列推文中我们介绍了线粒体自噬、线粒体氧化磷酸化（点击蓝色文字即可跳转了解），这次我们将对线粒体分裂和融合的机制进行介绍。

            线粒体分裂允许线粒体在细胞内增殖，线粒体融合使线粒体能够包裹更多细胞内容物形成更加丰富的细胞器，共同维持着细胞内稳态。目前已经鉴定出了参与线粒体分裂和融合机制的核心组成部分。线粒体分裂和融合的研究对于我们理解许多生物过程至关重要，包括线粒体ATP生成、线粒体DNA（mtDNA）分布、细胞存活、细胞凋亡和钙信号传导等。下面就跟着小P一起来看看这些线粒体分裂和融合的机制以及前沿研究动向。

                                                                                                                                           图1：线粒体分裂和融合示意图（图源：Proteintech）

线粒体分裂和融合机制

1.1 线粒体分裂

            在哺乳动物中，线粒体分裂主要由动力蛋白DRP1（Dynamin-like protein 1）介导，其活性受到严格控制，以确保根据细胞需求保持线粒体动力学平衡。DRP1通常存在于细胞质中，被激活后，易位至线粒体外膜。与经典动力蛋白不同，DRP1 不具有与脂质相互作用的同源结构域。因此，它只能通过与其受体结合形成功能复合物来锚定在线粒体膜上，然后组装成更大的寡聚体并运输至裂变位点。

            在哺乳动物中，四种主要参与线粒体分裂的外膜受体是FIS1（Mitochondrial fission protein 1）、MFF（Mitochondrial fission factor）、MID49（Mitochondrial dynamics proteins of 49） 和 MID51（Mitochondrial dynamics proteins of 51）。它们与DRP1共同作用，组装成围绕线粒体表面的螺旋状细丝。通过GTP水解及其与受体的相互作用，DRP1细丝发生构象改变，并收缩线粒体膜。收缩处的凹陷不断增加，直到收缩区域两侧的膜相互融合。一个线粒体分为两个线粒体。然而，受损的线粒体如果无法稳定其极性，往往会完全去极化，最终成为线粒体自噬的靶点。

            DRP1是线粒体分裂的核心蛋白。DRP1由单个基因编码，并通过mRNA的选择性剪接产生多种亚型。研究发现，DRP1的过度表达不会导致线粒体碎片化，因为DRP1的激活状态取决于其C端的几种翻译后修饰，如磷酸化，SUMO化、棕榈酰化、泛素化、糖基化等。DRP1的磷酸化对线粒体分裂至关重要。现在已经鉴定出多个磷酸化位点，即Ser 40、Ser 44、Ser 579、Ser 585、Ser 592、Ser 616、Ser 637、Ser 656 和 Ser 693。其中研究最为广泛的是Ser 616 和Ser 637位点的磷酸化。Ser 616由CDK1等磷酸化促进DRP1调控线粒体分裂；Ser 637被PKA、PKD等磷酸化，PKA通过削弱DRP1 GTPase 活性并阻止DRP1易位到线粒体来抑制线粒体裂变。

            DRP1失调导致的过度或低度分裂与许多神经系统疾病有关，例如阿尔茨海默病、帕金森病和亨廷顿病；DRP1 突变也会导致神经发育缺陷，例如新生儿死亡、发育迟缓、迟发性神经功能衰退或视神经萎缩。

                                                                                                                                图2：DRP1蛋白的翻译后修饰（图源：参考文献2）

             FIS1是第一个被鉴定为DRP1的线粒体衔接子。它形成寡聚体作为线粒体外膜上的支架，通过其两个类似四肽重复的基序与DRP1相互作用。过度的DRP1/FIS1相互作用与某些病理状况有关，例如帕金森病和亨廷顿病。 P110是一种特异性线粒体分裂抑制剂，它可以在病理条件下选择性地阻断DRP1-FIS1相互作用，而不会干扰DRP1与其他线粒体衔接子之间的相互作用。

            MFF可以独立于FIS1募集DRP1。它是在所有真核生物中普遍表达的DRP1的主要衔接蛋白，参与将DRP1募集到线粒体或过氧化物酶体膜上。当FIS1和MFF同时缺失时，线粒体分裂由MID51/49介导。

            MID49和MID51，是脊索动物特异性线粒体延伸因子蛋白，它们都能募集DRP1至线粒体裂变位点，不需要依赖FIS1 和MFF。但MID51/49可以与MFF协同作用，促进MFF与DRP1的结合，从而在线粒体外膜处形成DRP1-MID51/49-MFF三聚体促进线粒体分裂。

1.2 线粒体融合

            线粒体融合分为线粒体外膜融合和线粒体内膜融合，由不同的蛋白介导。线粒体融合蛋白1（MFN1）和线粒体融合蛋白2 （MFN2）介导线粒体外膜融合；视神经萎缩蛋白1（OPA1）介导线粒体内膜融合。

 

                                                                        图3：线粒体内外膜的融合（图源：参考文献4）

            MFN1和MFN2是位于线粒体外膜上的GTP酶蛋白，它们相互协调介导线粒体外膜融合。MFNs含有七肽重复区，相邻线粒体上的MFN1和MFN2可以通过七肽重复区结构的寡聚化形成同源或异源二聚体，从而将两个线粒体结合在一起，完成线粒体外膜融合。这两个蛋白中任何一个蛋白的缺失或突变都可能导致线粒体形态异常。MFN1/2会被Parkin泛素化，可导致其降解并抑制线粒体外膜的融合，促进线粒体自噬；而抑制MFN1/2的泛素化可能导致缺陷线粒体的积累，这也与帕金森病的发病机制有关。

            线粒体内膜的融合是由OPA1调控。人类OPA1蛋白是由30个外显子组成的基因编码。N端外显子4、4b 和5b处的可变剪接产生8种mRNA变体（v1-v8）。OPA1的N端被锚定在线粒体内膜上，而蛋白质的功能结构域则留在膜间隙中。锚定在线粒体内膜的OPA1（L-OPA1， 表示长形式）可以在S1和S2处分别被金属蛋白酶OMA1和YME1L切割，产生无TM的OPA1（S-OPA1， 表示短可溶形式）。L-OPA1通常具有融合能力，与心磷脂共同作用锚定在线粒体内膜。S-OPA1存在在内膜空间，缺乏融合活性。所以，当L-OPA1 被应激诱导的肽酶完全加工成短亚型时，它们会抑制融合，引发线粒体碎片化，并破坏线粒体嵴。除了促进内膜融合外，OPA1还促进ATP合酶的二聚化帮助嵴组织重塑内膜。

图4：OPA1蛋白的不同可变剪切（图源：参考文献5）

线粒体多样化的分裂方式

            线粒体承担着一系列关键功能，其自身在大小、形态及内容上展现出显著的多样性。相较于线粒体融合，线粒体的分裂模式更为多样化。为了适应这些多样化的需求，线粒体经过精心设计，演化出不同类型的分裂方式，旨在精确匹配其功能，以满足细胞或亚细胞在空间和时间上不断变化的需求。

2.1细胞器介导线粒体分裂

            线粒体会与各种细胞器接触，包括内质网（ER）、溶酶体和高尔基体（以高尔基衍生囊泡的形式）。内质网是细胞内钙离子（Ca²⁺）储存和信号传导的重要细胞器。内质网-线粒体是第一种也是研究最清楚的细胞器相互作用类型。内质网与线粒体接触形成的线粒体相关内质网膜（Mitochondriaassociated ER membranes，MAMs），介导了Ca²⁺、凋亡信号和膜间脂质代谢。内质网在线粒体周围形成环状结构，其中直径较小的小管在线粒体收缩部位被更高比例的内质网包裹。线粒体分裂通常发生在内质网小管接触并收缩线粒体的位置。现已鉴定出介导与裂变相关的内质网-线粒体连接的关键蛋白质。INF2（Inverted formin 2）最初被鉴定为一种能够捆绑微管并与肌动蛋白相互作用的蛋白质，属于内质网蛋白，能够驱动肌动蛋白聚合并在裂变位点激活DRP1。

 

图5：内质网参与线粒体分裂（图源：参考文献6）

            线粒体-溶酶体接触位点已被确认为线粒体与溶酶体之间双向调控的关键通路。溶酶体调节因子RAB7 GTP酶促进了该接触的形成，而接触的解除则通过FIS1募集RAB7 GTP酶激活蛋白TBC1D15至线粒体来介导，进而驱动RAB7 GTP的水解，最终实现接触的释放。

 

2.2 外围裂变和中区裂变

            先前认为线粒体分裂的位置似乎是沿线粒体的长度轴随机发生的。后来有研究对线粒体分裂的位置进行了统计分析，揭示了一种不均匀的概率分布——裂变位置沿线粒体的相对长度呈双峰分布。他们将线粒体分裂在距离尖端不到25%的区域称为外围裂变（Peripheral fission），在位于中间50%的区域称为中区裂变（Midzone fission）。

            线粒体进行外围裂变时，其上游已经有应激和损伤的情况，外围裂变的较小产物会通过线粒体自噬途径降解，而中区裂变发生在健康线粒体中，有助于生物发生。

            MFF参与线粒体中区裂变更多，说明它仅对中心区裂变是必需的。FIS1在外围裂变的小部分子线粒体上显著富集，且在线粒体的外膜上整体富集，而不是集中在某个点。因此，推测FIS1是通过募集溶酶体来调节外围裂变。

            线粒体对裂变位点的精确定位决定了其增殖或降解的关键形态学特征。通过形成较小的子线粒体来隔离受损成分，具备显著优势：这种较小的线粒体更易被自噬体吞噬，从而最大限度减少降解物的质量。

 

 

图6：线粒体外围裂变与中区裂变（图源：参考文献9）

 

2.3 线粒体断尾式分裂

            段丽婷团队发现了一种由拉力驱动的线粒体裂变方式称为断尾式分裂（Tail-autotomy fission）。这种断尾式分裂约占不同类型细胞中所有自然分裂事件的6%~14%。

            断尾式分裂是一个包含连续两个步骤的过程：首先，一条尾状细管从较大的线粒体中延伸出来，这条伸出的小管亦可缩回至线粒体内部；随后，细管断裂，大约有19.5%的小管会经历断尾式分裂。通过观察裂变部位，发现裂变可能发生在线粒体与小管的连接处或小管的中部。进一步的量化分析显示，断尾式分裂在连接处（52.2%）和小管内（48.8%）的发生频率相当。

            在此种过程中，DRP1、MFF以及内质网参与线粒体裂变。线粒体DNA重新分配，产生携带或不携带mtDNA的线粒体片段。携带mtDNA的线粒体片段将持续线粒体运动，参与后续的融合与分裂过程；而不携带mtDNA的线粒体片段则更倾向于与携带mtDNA的线粒体发生融合。线粒体管化过程中能够形成仅包含线粒体外膜而缺乏基质的管状结构。断尾式分裂会将这些管状结构的碎片脱落至线粒体衍生囊泡（Mitochondrial-derived vesicles，MDV）中，随后MDV募集Parkin和LC3B，激活线粒体自噬。

            断尾式分裂在分离线粒体自噬所需的外膜成分方面具有独特作用。

图7：线粒体断尾式分裂示意图（图源：参考文献10）

            线粒体是一种高度动态的细胞器，在多种生物过程中扮演着至关重要的角色，如能量代谢、氧化应激反应、钙平衡和细胞凋亡。线粒体形态的动态变化是其功能发挥的基础。线粒体动力学失衡不仅会破坏线粒体功能，还可能导致一系列疾病，包括神经退行性疾病、代谢疾病和心血管疾病等。随着科学家对线粒体的深入研究，越来越多的线粒体融合与分裂模式也将逐步被揭示。