线粒体动力学及其在女性生殖的重要作用
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摘要
线粒体动力学（分裂和融合）是线粒体代谢、线粒体再分布和线粒体质量控制的基本生理过程。有多种蛋白质参与调节线粒体动力学。这些蛋白质的异常表达会干扰线粒体动力学并诱发一系列疾病。近年来，科学家们已经开发出了多种治疗方法来治疗相关疾病，但其疗效有限。同时，线粒体动力学在女性生殖功能中的作用越来越受到关注，包括卵母细胞发育和成熟、受精和胚胎发育。在这里，我们回顾了线粒体动力学的重要性、参与线粒体动力学的蛋白质以及原发性线粒体动力学功能障碍所引起的疾病；本文还总结了遗传性线粒体融合-分裂异常的最新治疗方法，并综述了女性生殖线粒体动力学的最新进展。
01
基本介绍
线粒体是具有双膜结构的细胞器，对于维持细胞新陈代谢和产生能量至关重要。线粒体动力学是线粒体内膜（IMM）和线粒体外膜（OMM）与其他线粒体之间连续分裂和融合的过程。线粒体有效地调节分裂和融合以交换基质和膜成分。持续且稳定的分裂和融合过程形成了一个动态的互连网络，维持线粒体和mtDNA的完整性。线粒体动力学损伤通常与细胞能量缺乏有关，特别是在那些能量需求高的组织中，如神经元、心肌细胞和肌肉细胞。一般来说，病理条件下氧化磷酸化（OXPHOS）受损、mtDNA缺乏和活性氧（ROS）过量产生会诱导线粒体融合。
线粒体功能障碍往往会增加活性氧的产生，这可能导致mtDNA突变和细胞损伤。线粒体融合可以通过扩大线粒体内膜以改善能量供应，也可以促进正常的和有缺陷的线粒体之间的物质交换和互补，以此来确保mtDNA的完整性和线粒体呼吸功能的恢复。线粒体融合被抑制会导致mtDNA丢失和线粒体呼吸功能下降。线粒体分裂导致在压力下和经历细胞凋亡时去除异常线粒体，并将线粒体分配到子细胞中。抑制线粒体分裂会阻碍受损线粒体功能的修复。
线粒体是卵母细胞和胚胎中最丰富的细胞器。它们在卵母细胞成熟和植入前胚胎的发育过程中经历不断的动态变化，以支持主要的细胞发育事件。人类卵母细胞通过氧化磷酸化代谢丙酮酸，为其在生长过程中提供能量。人类卵母细胞和早期胚胎代谢的特征在于低氧代谢和氧气消耗以及利用丙酮酸、乳酸和氨基酸来支持其发育。而在囊胚阶段则显示出高水平的糖酵解和氧气消耗水平，因为胚胎基因组的激活和囊胚形成对能量需求更高。波动的能量需求促进了线粒体动力学的不断变化，线粒体动力学动态和谐地调节新陈代谢以支持卵母细胞和胚胎的发育。典型的线粒体分裂融合机制形成动态互连网络，以保持正常的线粒体活性。同时，它满足维持卵母细胞成熟和植入前胚胎发育的物质和能量需求。
本文综述了目前线粒体动力学相关蛋白、相关疾病、靶向治疗以及线粒体动力学在卵母细胞和胚胎发育中的重要功能等方面的研究成果。我们发现，对女性生殖中线粒体动力学的研究非常有限。因此，该领域将有待进一步的研究和发现新的治疗方法，这可能会引起人们对线粒体动力学和女性生殖的更多关注。
02
线粒体动力学的重要参与者
DRP1
线粒体动力学相关蛋白中研究最多的是动力相关蛋白1（DRP1）-一种线粒体分裂GTP酶。DRP1也称为DNM1L（Dynamin 1-like），是大型GTP酶Dynamin家族的成员。DRP1与其他动力蛋白超家族成员具有相似的结构：多肽链向后折叠形成具有四个结构域（头部、颈部、躯干和足部）的单体。头部由GTP酶结构域组成，躯干包含自组织界面，颈部是束信号的主要部位。足部是一个可变结构域，包含大约100个氨基酸残基，这些氨基酸残基结合带负电荷的脂质，例如心磷脂和磷脂酸。它控制线粒体分裂的最后部分，捏断两个子线粒体之间的膜茎。如果缺乏正常功能的DRP1，通常存在于细胞中的线粒体呈管状突起被缩成大的核周聚集物。因此，有研究人员提出，DRP1通过将酵母Dnm1相对应的线粒体小管分布在整个细胞质中来维持线粒体形态。其他研究表明，DRP1在秀丽隐杆线虫发育过程中的程序性细胞死亡中起作用。DRP1还参与细胞凋亡期间线粒体嵴的重组和开放。此外，DRP1通过连接CD47诱导程序性细胞死亡，这需要其从细胞质转移到线粒体。另外，DRP1对于维持线粒体健康也是必不可少的。在m.3243 A>G异质性细胞中，DRP1的沉默与突变mtDNA水平的增加有关。最后， DRP1必须通过精密调节才能正常工作。IFN-β，一种线粒体分裂引发剂，可以磷酸化STAT5并上调PGAM5，并磷酸化DRP1的Ser622位点。磷酸化的PGAM5S是坏死期间所需的复合物，可募集DRP1。它通过去磷酸化激活DRP1并诱导线粒体分裂和坏死的发生。相反，DRP1敲除会导致过氧化物酶体延长，表明DRP1普遍存在分裂功能。DRP1需要接头蛋白来锚定细胞内的线粒体外膜。这些接头蛋白首先被在酵母中发现，包括Fis1，Mdv1和Caf4。Mdv1和Caf4在多细胞动物身上没有同源物，哺乳动物有它们自己的DRP1特异性接头蛋白。这一系列蛋白质包括线粒体分裂因子（MFF）和49 kDa（MiD49）的脊椎动物特异性线粒体动力学蛋白，也称为MIEF2和51 kDa（MiD51），也称为MIEF1。这些接头蛋白可以单独募集DRP1，其功能异常将导致线粒体分裂失调。
INF2
INF2，也称为内质网定位的反式蛋白2，是formin家族的成员，与发育中的细丝的倒刺末端结合，并保护它们不被盖住。它们产生长肌动蛋白丝以交联成束。IFN2与其同源性-1和2（FH1和2）结构域、凝胶蛋白和细丝蛋白相互作用，通过倒刺端伸长、切断和WH2模体介导的解聚，来阻断倒刺端的封盖并产生肌动蛋白亚基的短丝。INF2是DRP1的上游因子。肌动蛋白丝在收缩时积聚在线粒体和富含INF2的内质网膜之间。一些研究表明，INF2富集可能是DRP1积累之前线粒体收缩的第一步。随后，IFN稳定了内质网-线粒体平台并将受损的线粒体拴在内质网上，通过分裂将它们分开。内质网-线粒体接触增加了线粒体和线粒体分裂时对钙的摄取。此外，肌动蛋白成核蛋白Spire 1C直接将线粒体与肌动蛋白细胞骨架和内质网连接起来。Spire 1C与IFN2合作，促进线粒体表面的肌动蛋白组装，成为驱动线粒体分裂的初始步骤之一。
FIS1
FIS1作为一种能够缓解融合基因的温度敏感等位基因的基因，首先在酵母中被发现。它的人类直系同源物称为hFis1，是促进线粒体分裂的线粒体复合物的组成部分。FIS1定位于线粒体外膜，最初被认为是DRP1在线粒体分裂和细胞凋亡过程中的辅助因子。FIS1的C端锚对线粒体的定位至关重要。该结构域内的15 kDa可溶性结构域具有两个四肽重复序列（TPR）作为线粒体外膜的栓系位点。随后的研究发现，FS1将DRP1从细胞质中募集到线粒体的分裂位点。免疫共沉淀研究表明，FIS1可能是DRP1在剪断位点募集和组装的Mff的下游因子。与单独敲除相比，Fis1和Mff同时敲除导致线粒体伸长表型更明显，这表明上述两者在线粒体分裂过程中的独立作用。
FS1分子的数量是线粒体分裂频率的限制因素。尽管FIS1在线粒体分裂中起重要作用，但FIS1的过表达不会对线粒体的膜电位、PH值或钙阳离子容量产生影响。与DRP1一样，FIS1的衰减会导致病理性m.3243 A>G突变细胞的异质性增加。此外，FIS1在过氧化物酶体分裂过程中也与DRP1共定位，可能在细胞凋亡中起作用。然而，与哺乳动物细胞相比，对低等动物的研究发现了有争议的结果。秀丽隐杆线虫中的Fis1敲除并没有像预期的那样拉长线粒体，而Fis1双敲除的小鼠的胚胎成纤维细胞则呈现了细长的线粒体。此外，小鼠中Fis1的敲除对胚胎来说是致命的。许多研究已经探索了FIS1与在线粒体动力学中起作用的其他蛋白质之间的关系。一项研究提出，FIS1在招募DRP1时可能充当Mid1的负调节因子。研究表明，FIS1是应激特异性DRP1募集因子，而Mff是哺乳动物细胞中DRP1的主要募集因子。另一方面，Fis1在细胞损伤期间激活了半胱天冬酶-8;此外，Fis1诱导分层巨自噬和抑制合成蛋白17，表明Fis1参与线粒体自噬和细胞凋亡。最近的一项研究声称，Fis1主导了外周线粒体分裂，使受损物质能够脱落成更小的线粒体，最终导致线粒体自噬。这些证据强调了Fis1的应激反应作用。然而，FIS1在细胞中的主要功能仍未完全阐明。
MFF
线粒体分裂因子（MFF）是一种包含342个氨基酸的蛋白质，包含两个靠近N末端的短重复基序，然后是螺旋线圈结构域、跨膜结构域和短C末端尾部。MFF的选择性剪接导致19个转录变异体位于细胞膜或细胞质上。在果蝇细胞中，Mff首先通过其尾部和Fis1锚定在线粒体外膜上。单磷酸腺苷（AMP）活化蛋白激酶（AMPK）的活化导致线粒体快速分裂。AMPK的底物筛选显示，Mff催化鸟苷三磷酸酶系列，加速线粒体分裂。最近对小鼠心肌细胞的一项研究发现，Mff仅调节细胞纺锤体分裂。发生在纺锤体的分裂不太可能与溶酶体共定位。他们还发现，外围区域的分裂经常与溶酶体募集相结合，这表明它是线粒体增殖的原因。这项研究解释了为什么MFF和FIS1的作用会如此明显。
49 kDa和51 kDa的线粒体动力学蛋白MID49和MID51
它们也被称为MIEF1和MIEF2，两者都具有核苷酸转移酶活性并与折叠呈N端跨膜锚，可整合到线粒体外膜中。它们在结构上有许多相似之处。然而，只有MID51可以结合核苷酸二磷酸（ADP和GDP），而结合MID49的配体仍然未知。MID51是二聚体;相比之下，MID49是单体，但两者都共享与DRP1相互作用的模体。它们的结构差异可能表明MID51在调节和稳定方面与MID49存在差异。不同研究将这两种蛋白质在分裂和融合中的对立作用归因于这两种蛋白质。最初，研究人员发现MID49或MID51的过度表达导致线粒体融合，拉长了从游离的细胞核周围网络突出的线粒体小管。之后，他们发现融合效应是由于DRP1的隔离和抑制，导致MFN1和MFN2与小鼠胚胎成纤维细胞中的过氧化物酶体融合，随后一起发生不受控制的线粒体融合。他们提出MID49和MID51在普通条件下可以在线粒体分裂中发挥作用。近期对患者的研究进一步证明了这一假设。MID49缺陷增加了患者肌肉中的线粒体融合频率和粗糙的红色纤维。令人惊讶的是，患者成纤维细胞的mtDNA水平增加，氧化磷酸化也轻度增加。研究认为，这是由于线粒体的完整补偿机制，导致线粒体融合的发生，从而满足细胞的能量需求。此外，E3泛素连接酶膜相关的无名指蛋白5（MARCH5）可以降解MiD49，促进线粒体融合以作为应激反应机制。MiD49和MiD51调节细胞色素C的释放，然后激活Bax/Bak途径。MiD49和MiD51的缺失阻止了细胞凋亡过程中嵴的重塑。这些证据表明，MiD49和MiD51是线粒体分裂的上游参与者，是细胞凋亡应激的一线反应者。
OPA1
OPA1是一种类线粒体动力蛋白GTP酶，定位于线粒体内膜。OPA1基因由32个外显子组成，跨度超过40kb。OPA1蛋白含有978个氨基酸，大小约为120 kDa。OPA1结合富含带负电荷的磷脂（如心磷脂）的膜，并促进膜管形成。OPA1本身具有GTP水解的基础速率，这增强了其与带负电荷的磷脂的关联。当与脂质结合时，OPA1转化为高度有序的寡聚物。OPA1在脂质小管表面组装，形成类似于典型动力蛋白的蛋白膜结构。这些证据证明，OPA1可以刺激高阶膜组装，促进GTP水解，并将膜转化为小管。在细胞凋亡过程中，OPA1也是一个关键的参与者，它在重建嵴和释放细胞色素C过程中是必不可少的。OPA1的寡聚通过维持嵴连接的张力来调节细胞凋亡。内在凋亡信号引起OPA1寡聚物解离，并将细胞色素C作为半胱天冬酶的激活剂释放到膜间隙。这个过程对于维持mtDNA基因组也至关重要。OPA1有十种亚型。含有外显子4b的OPA1亚型可以将线粒体类核锚定在内膜上，而含有外显子4的亚型则对于维持膜电位至关重要。OPA1的长亚型（L-OPA1）负责锁定嵴内的膜间隙。在分解含有L-OPA1的复合物后，细胞色素c释放导致线粒体分裂。OPA1与OMA1及YME1L1相互作用使其正常工作并保持L-OPA1状态。
相反，在小鼠心肌细胞中敲除Oma1和Yme1l可以防止L-Opa1转化为S-Opa1形式并恢复标准的线粒体结构，此外还可以保护Yme1l突变小鼠免受心肌病和早期死亡的影响。由L-OPA1介导的功能性线粒体融合保留了心脏功能，线粒体分裂可能引发扩张型心肌病和心力衰竭。新的研究发现，敲除磷脂酰甘油磷酸合酶PSG1会导致心磷脂减少，从而挽救由OPA1功能障碍引起的线粒体分裂。OPA1是维持线粒体结构、调节细胞凋亡以及维持线粒体融合和分裂稳态的另一个主要参与者。
MFN1和MFN2
MFN1（Mitofusin1）和MFN2（Mitofusin2）最初被发现是果蝇和酵母蛋白Fzo的人类同源物，它们可以调节线粒体融合。Fzo对精子形成至关重要。Fzo的表达严格限制于男性生殖系中，它促进精细胞和精子中mRNA的积累。MFN1的结构表明它具有GTP酶结构域和C端尾部。一个确定从GTP酶延伸的三螺旋束，以及一个从C末端结构域延伸的另一束，共同形成了细菌类动力蛋白的经典结构。MFN1在GTP附着时形成二聚体，并在囊泡的聚集中发挥作用，包括膜锚定GTP酶结构域，这需要不间断的GTP水解。结果，MFN1通过核苷酸依赖的二聚体连接线粒体外膜。在厌氧条件下，线粒体延长主要由SIRT1介导的MFN1脱乙酰化调控，而MFN2通过促进内质网-线粒体接触诱导线粒体融合。
MFN2最初被定义为KIAA0214，包含19个外显子；MFN2编码的蛋白质由757个氨基酸组成，含有ATP/GTP结合模体。同样，MFN2具有GTP酶结构域和C端尾部，拥有MFN1约60%的特性。MFN2通过预测的二分跨膜结构域，以此靶向线粒体。敲除大鼠肌管中的Mfn2使葡萄糖氧化能力降低了30%。Mfn2的抑制也导致线粒体膜电位和有氧细胞呼吸减少。研究进一步发现，MFN2在肥胖状况下表达受到抑制。与对照组相比，肥胖的大鼠和人类的MFN2表达分别降低39%和43%。肥胖诱导的MFN2抑制也与线粒体电子传递链复合物I，II，III和V的功能下降有关。凋亡的启动子BAX和BAK在线粒体融合中发挥作用，并调节MFN2。BAX通过组装MFN2激活线粒体融合，重定向到线粒体亚区，并替代其GTP酶结构域。Mfn2过表达引发大鼠血管平滑肌细胞的凋亡，并防止血管成形术后形成新内膜。Mfn2表达减少则保护血管肌肉细胞免受活性氧的损害。研究还发现，MFN2诱导的促凋亡效应是由Akt信号通路介导的。随后发现MFN2富集的位置是内质网-线粒体界面。在Hela细胞中干扰Mfn2会破坏内质网形态，并使线粒体-内质网连接松动，减少了刺激时对钙的摄取。在人类T淋巴细胞上的实验进一步证明了这一假设。MFN2增加了细胞内Ca2+的缓冲作用。MFN2也必须得到精确调节以实现其正常功能。磷酸化的MFN2被发现可以作为一种parkin蛋白受体来消除受损的线粒体，表明MFN2的质量控制作用。分子分析确定MFN2通过正确的肽-肽相互作用实现其正常功能。PINK1激酶介导的MFN2 ser378位点磷酸化基本上是带有Asp725的MFN2 met376位点和带有Leu727的MFN2 his380位点的活性相互作用的决定性因素。缺乏Pink1磷酸化位点的小鼠Mfn2突变体会抑制线粒体Parkin易位，抑制线粒体自噬。此外，通过一种细胞通透性改变的微肽操纵线粒体融合蛋白构象可以逆转人成纤维细胞和神经元中的线粒体异常的现象。总而言之，MFN1/2是维持线粒体融合和分裂平衡的核心参与者，从而使线粒体处于动态稳态，以实现正常的细胞呼吸功能。
SLC25A46
SLC25A46首先被发现是中枢神经系统中的十四种溶质载体蛋白之一。由SLC25A46编码的蛋白质包含418个氨基酸，是人类酵母Ugo1的同源物。Ugo1是线粒体外膜的溶质，可作为融合因子。SLC25A46在线粒体外膜中被整合。有一种假设认为SLC25A46是一种跨外膜的转运蛋白或类似于Ugo1的蛋白质受体。然而，人类SLC25A46蛋白未能挽救酿酒酵母中的ugo1缺失表型。小鼠Slc25a46蛋白具有大约100个残基的N末端结构域，随后是三个相似大小的串联重复序列。每个都包含两个由大环隔开的跨膜结构域，以及一个独特的Px(D/E)xx(R/K)模体。SLC25A46的确切功能还有待进一步探索。SLC25A46与MFN2和OPA1相互作用，并可能与内质网-线粒体接触部位旁边的嵴重组蛋白MIC60（Mitofilin）结合。此外，在携带Slc25a46突变的多种疾病模型中已经确定了线粒体嵴受到损伤。Janer及其同事还发现SLC25A46功能丧失继发性地改变了内质网形态，导致细胞过早衰老。SLC25A46还与内质网膜蛋白复合物EMC协调并改变了线粒体内的磷脂组成。研究认为SLC25A46在线粒体-内质网界面发挥作用并促进脂质转移；SLC25A46的功能障碍改变了线粒体动力学，最终导致细胞死亡。小鼠和斑马鱼Slc25a46的缺失会导致过早死亡、严重的线粒体功能障碍和线粒体过度融合。然而，Slc25a46突变体中线粒体的过度融合是原发性的还是继发性的仍有待阐明。
03
线粒体动力学功能障碍
引起的人类神经系统疾病
在人类中，线粒体功能和形态的变化作为疾病的触发因素正在不断被发现，异常的线粒体动力学已被认为是许多疾病发病机制中的早期事件。心脏、代谢、肾脏和神经系统疾病可能与线粒体动力学功能障碍有关。然而，在这些条件下，线粒体分裂和融合功能障碍大多是继发性的。本文主要总结了由线粒体动力学调节基因突变引起的疾病（表1）。其中研究最多的由线粒体动力学控制基因突变引起的疾病是OPA1相关的常染色体显性萎缩和MFN2相关的腓骨肌萎缩症（CMT）。然而，DRP1，INF2，MIEF1，MIEF2和SLC25A46也同样起着至关重要的作用，尤其是在神经系统疾病中。
进行性神经性腓骨肌萎缩症（CMT2A）
进行性神经性腓骨肌萎缩症是由于MFN2杂合突变导致的，其特征是周围神经的感觉和运动神经病变。与CMT不同，CMT2A是一种轴突病，神经元传导速度没有或略有降低。典型的临床特征包括锤状趾、足下垂、肢体远端肌无力和萎缩、反射减退或反射消失。MFN1和MFN2与Miro和Milton蛋白相互作用，形成连接MFN2和驱动蛋白马达的分子复合物。MFN2 的突变会影响这种相互作用，导致轴突线粒体运输受损。早发型通常是更严重的病例，类似于由OPA1突变引起的显性视神经萎缩。此外，在小鼠和犬模型中，MFN2的缺失对围产期胚胎是致命的，原因可能是由于缺乏蛋白质稳定性。
显性视神经萎缩（D0A）
通常在儿童早期诊断的OPA1相关显性视神经萎缩的特征是进行性双侧视力丧失、色觉丧失、视野缺损、视神经萎缩和视盘凹陷。DOA plus表型与以耳聋、共济失调、肌病和进行性眼外肌麻痹为特征的中枢或周围神经元缺陷有关。病理检查提示视网膜神经节细胞变性、视神经髓鞘缺失。有报道称其表型多变，外显率不完全。显性视神经萎缩是报告最多的遗传性视神经萎缩，患病率为1/12000-1/50000。大多数有害的OPA1突变可能是由于单倍体功能不全导致显性抑制效应。DOA plus表型可以在OPA1功能丧失后显示出一些肌纤维中的线粒体缺失症状，并伴有氧化磷酸化功能障碍。DOA plus表型和MFN2相关的进行性神经性腓骨肌萎缩症具有许多共同特征，这是因为它们的蛋白质功能一致，它们都影响运动神经元和感觉神经元。由于轴突相对较长，这些神经元被认为对线粒体动力学功能障碍敏感。
线粒体和过氧化物酶体分裂引起的脑病
受DRP1突变影响的患者最初被报道由于线粒体和过氧化物酶体分裂而患有致死性脑病。疾病症状包括小头畸形、大脑发育异常、难治性癫痫、视神经萎缩、持续性乳酸血症和血浆超长链脂肪酸（VLCFA）升高。在一定比例的患者中，MRI上可以看到异常的回旋模式、双侧脑容量丢失、脱髓鞘、胼胝体变薄和皮质中的T2加权高信号病变。患者细胞的过氧化物酶体数量减少，而大小变化显著。这种疾病的严重程度各不相同，但大多数患者在儿童早期死亡。荧光显微镜显示细长的线粒体集中在细胞核周围。线粒体呼吸链酶活性显示出复合物IV活性降低和ATP产生减少。在DRP1突变患者中也经常观察到心脏受累。超声心动图显示左心室扩张、射血分数降低和缩短分数降低。Morten后电子显微镜在患者心肌细胞内发现了丝状线粒体。
阿尔茨海默病（AD）
淀粉样蛋白β积聚在阿尔兹海默病患者的大脑中。线粒体动力学稳态的破坏可能是神经元凋亡的重要因素，从而导致神经发育异常。一氧化氮（NO）被认为参与淀粉样蛋白β的生产过程。它是一种重要的调节因子，通过drp1的S-亚硝基化（SNODRP1）调节线粒体分裂，减少突触和损伤神经元。然而，半胱氨酸突变可以防止DRP1亚硝基化并消除其神经毒性。另外，亚硝基化可以消除其神经毒性。此外，SNODRP1在阿尔兹海默病患者的大脑中也高度表达。研究人员发现，转染截断的Tau蛋白的Tau双敲除小鼠的初级神经元显示出碎片化的线粒体。他们进一步发现，OPA1的显著减少伴随着线粒体碎片化。因而得出结论，Tau蛋白可以通过降低OPA1水平来干扰线粒体动力学，导致阿尔兹海默病患者的线粒体损伤。
帕金森病（PD）
线粒体活性的破坏可能与帕金森病有关，尤其是在PINK1和Parkin功能障碍的情况下。PINK1 和 Parkin 位于线粒体中。PINK1通过磷酸化线粒体蛋白来防止压力下的线粒体功能障碍。PINK1还通过介导Parkin的激活和易位，通过线粒体自噬参与消除受损的线粒体；它通过MFN2的磷酸化将Parkin靶向具有低膜电位的功能失调的线粒体。作为E3泛素连接酶，Parkin可以诱导MFN1、MFN2、FIS1和DRP1的泛素化；一旦PINK1和Parkin的功能受损，就会启动线粒体碎片化。因此，帕金森病病理学在某种程度上与线粒体动力学有关；然而，它往往是次要原因，而不是主要原因。
亨廷顿病（HD）
在亨廷顿病患者和动物模型中发现了过度碎片化的线粒体，导致氧化磷酸化率降低。在亨廷顿病患者中，可以看到线粒体异常、形态学改变和功能障碍。位于线粒体中的Hungtitin蛋白（HTT）可能是线粒体碎裂的原因。HTT突变体可以在体内积聚并引发DRP1功能障碍，导致线粒体运输异常，最终导致神经元凋亡。值得注意的是，HTT 中的长CAG重复序列可以促进亨廷顿病患者淋巴母细胞中致病性mtDNA异质性的年龄依赖性扩增。因此，他们得出结论，mtDNA质量随着亨廷顿病的进程而下降，表明HTT在mtDNA质量控制中的作用。有争议的是，线粒体膜也被发现会影响HTT聚集。总的来说，线粒体动力学与亨廷顿病密切相关；但是，它通常也是次要原因。
04
针对原发性线粒体分裂
融合异常的新兴治疗方法
先前旨在干预线粒体融合和分裂的研究主要通过过度表达或沉默功能失调的基因。来自实验室结果为开发出潜在的治疗药物提供了依据。DRP1必须转运到线粒体以确保碎片化，这需要适当的翻译后磷酸化。PKA、Cam激酶和Pim1介导了Drp1 Ser637中的磷酸化。Pim 1磷酸化小鼠提高了Drp1 Ser637位点磷酸化水平并抑制Drp1定位到线粒体，保护大鼠心肌细胞免受P53上调导致的细胞凋亡（PUMA）。几年前，Franco及其同事报告了一种源自MFN2的微肽，它能够与阻碍MFN1和MFN2转变成非活性构象的内源性肽-肽相互作用竞争，将后者转化为更活跃的结构，从而促进线粒体融合。然而，这种肽的制造成本仍然很高，阻碍了其临床使用。Rocha和同事通过生物信息筛选鉴定了一种丝裂蛋白激动剂。他们使MFN2突变小鼠坐骨神经中的轴突线粒体通路恢复正常，并减轻了线粒体的动力学障碍、碎片去极化和聚集。最近，Franco和合作者报告了一种名为MiM111的小分子，它可以激活突变抑制的MFN2并使CMT2A中的神经肌肉功能正常化，进一步逆转轴突和肌细胞萎缩。他们认为MiM111是CMT2A的第一种临床前候选疗法。此外，作为一种广泛使用的基因治疗工具，腺相关病毒（AAV）介导的基因替换或编辑目前正在进行临床转化。使用AAV-Slc25a46，Yang及其同事在小鼠模型中改善了SLC25A46相关的线粒体过度融合，并恢复了动力学障碍和坐骨神经脱髓鞘，延长了Slc25a46双敲除小鼠的寿命。
另一方面，线粒体裂变抑制剂有望作为治疗线粒体过度裂变患者的治疗靶点，在某些情况下为线粒体的生存能力提供了保护作用，从而引起了研究人员的兴趣。Mdivi、P110和Dynasore是线粒体分裂抑制剂。Cassidy及其同事发现，Mdivi通过结合GTP酶结构域的外部在体外抑制Drp1的组装及其GTP酶活。然而，Mdivi处理不影响Drp1表达。此外，多项研究检测了Mdivi在体外的抑制剂功能，并证明了其在凋亡应激下对线粒体功能的保护作用。此外，Mdivi 可以挽救线粒体过度分裂并改善CRND8阿尔兹海默病小鼠模型和脑缺血或器官损伤等多种小鼠模型的线粒体功能。Qi及其同事开发了一种名为P110的Drp1抑制剂，发现P110可以降低Fis1表达并减少培养神经元中过多的线粒体分裂。此外，P110减少了活性氧的产生，改善了线粒体膜电位和线粒体完整性。Marcia和同事从16000个小分子中确定了Dynasore作为分裂抑制剂。他们发现Dynasore干扰Dynamin 1、Dynamin 2和Drp1的GTP酶活性。Gao等人进一步研究了Dynasore对小鼠缺血/再灌注损伤的保护作用。Dynasore增加了心肌细胞的存活率并减少了细胞ATP的消耗。
迄今为止，还没有使用Mdivi-1的临床试验注册或任何人类病例报告，主要原因是在小鼠模型中线粒体过度分裂对胚胎往往是致命的。因此，研究人员无法测试对动物模型的治疗和副作用，更不用说对人类的试验了。后来，人们又建立了携带MFN2点突变、能够在出生后存活的小鼠模型。然而，直到最近，还没有报道在这些模型上测试线粒体分裂抑制剂的治疗效果。尚需要更多的治疗性探索来确定它们对突变蛋白诱导的神经元损伤的保护功效，以及治疗患者的候选药物。
05
线粒体动力学与生殖
女性生殖系线粒体只要指卵母细胞和胚胎中线粒体，因为它们通过氧化磷酸化产生ATP。涉及的生理过程包括纺锤体组装、染色体分离、卵母细胞成熟、受精和胚胎发育。然而，线粒体在女性生殖细胞中的功能似乎不仅仅是表面那样。
线粒体复制在卵子生成过程中不断进行，线粒体的数量随着卵母细胞的成熟而增加。mtDNA拷贝数在许多哺乳动物（包括人类）的成熟卵母细胞和早期胚胎中保持相对稳定的状态。因此，线粒体复制将在此期间暂停，导致mtDNA水平相对稳定。此外，在囊胚阶段之前，成熟的卵母细胞和胚胎代谢主要依赖于丙酮酸氧化磷酸化。因此，卵母细胞和胚胎中线粒体的数量和质量必须足以为胚胎发育提供足够的能量。这些线粒体必须相对均匀地分布到卵裂球中，直到线粒体生物发生重新启动。因此，卵母细胞和早期胚胎中线粒体数量和形态异常，或卵裂球中线粒体分布缺陷，将导致氧化磷酸化减少，导致受精失败和胚胎发育功能障碍。
与体细胞相比，卵母细胞和早期胚胎具有完全不同的线粒体形态和亚线粒体结构。细胞质由许多具有平行或拱形嵴的球形线粒体和发育早期阶段的白质组成。这些线粒体与其他细胞器聚集在细胞核周围，形成Balbiani小体。在成熟的卵母细胞中，线粒体很小，呈圆形或椭圆形，带有拱形嵴。大多数线粒体与光滑内质网（M-SER聚集体）和囊泡（MV复合物）的管状膜形成独特的结构。这些结构为随后的受精和胚胎发育保留物质和膜。受精后的受精卵和2细胞胚胎的线粒体形态没有显着变化（长度为0.4-0.6μm的圆形或椭圆形线粒体）。通过透射电子显微镜在4细胞胚胎中观察到更长的线粒体（1.5–2.5μm）和更丰富的嵴，表明线粒体活性增加。6至8细胞胚胎中的线粒体变得更长（2.5μm），线粒体嵴更丰富。mtDNA复制的恢复首先发生在囊胚的滋养细胞中，这与胚胎能量需求的显着增加相吻合。
从这里，我们看到线粒体在成熟的卵母细胞和早期胚胎中保持球形或椭圆形，最大长度为2.5um，并且嵴稀疏、不成熟。在卵母细胞或胚胎中未观察到具有丰富横向嵴的典型细长或杆状线粒体。因此，单个线粒体活性比较低，并且由于线粒体形态未分化，氧气消耗和ATP产生也减少。因此，线粒体的总数和功能，特别是具有高膜电位（通常反映线粒体活性高）的线粒体，对于胚胎发育至关重要。此外，线粒体的空间位置似乎也与胚胎的发育能力有关。线粒体必须分布到具有高能量需求的细胞质中，以支持卵母细胞成熟和胚胎发育中的关键事件，例如明显的线粒体聚集。线粒体在大多数情况下保持卵母细胞和胚胎中的低活性形式（具有稀疏嵴的圆形线粒体）有利于尽可能减少活性氧的产生，从而最大限度地减少对卵母细胞和胚胎的氧化损伤。线粒体仅在特定事件发生（细胞分裂）时才会改变形态以响应对ATP需求的增加。因此，无论是线粒体功能障碍，还是卵母细胞和胚胎功能过度，这都会导致胚胎发育障碍。
线粒体动力学相关蛋白在生殖细胞和胚胎中的作用已经在一些敲除小鼠和特定敲除小鼠的生殖细胞和胚胎中进行了研究。卵母细胞中Drp1的特异性缺失导致畸形融合的线粒体聚集，钙振荡、分泌功能和卵母细胞减数分裂受损，以及因呈现年龄依赖性的卵母细胞成熟和排卵障碍引起的雌性小鼠不孕。这种不孕症可能与第三天的人类胚胎碎片相关。此外，使用DRP1抑制剂Mdivi-1减少了猪囊胚的形成，线粒体膜电位降低并导致活性氧增加。Mfn1/Mfn2双敲除卵母细胞表现出线粒体结构损伤，包括线粒体嵴减少和基质密度降低，导致卵母细胞发育停止和卵母细胞-颗粒细胞相互作用受损。Mfn2敲除小鼠卵母细胞显示出卵母细胞成熟和受精率降低以及线粒体分布和纺锤体形态的改变，这进一步表明线粒体动力学在调节卵母细胞染色体分离中的作用。此外，siRNA诱导的Mfn2表达减少降低了小鼠囊胚形成的速度和通过第三次细胞分裂的胚胎数量。因为可能需要线粒体融合来支持这以重要阶段，以激活胚胎基因组。卵母细胞中的Mfn2缺失导致线粒体功能障碍、卵母细胞成熟障碍和卵泡发育阻滞而引起雌鼠不孕。在Mfn2敲除中幸存下来的胚胎显示出ATP水平和线粒体膜电位将死、mtDNA缺陷以及线粒体凋亡水平增加，进一步表明线粒体融合对于维持卵母细胞和胚胎发育至关重要。相比之下，在Mfn1或Mfn2过表达的卵母细胞中可检测到不规则的线粒体分布，包括线粒体聚集和内质网共聚集、线粒体与线粒体和线粒体与内质网之间的接触增加。线粒体和内质网的异常行为导致减数分裂期间的钙稳态受损和染色体异常分离。因此，同样地，线粒体动力学相关蛋白的缺乏或过度表达将表现为线粒体形态畸形、线粒体活性异常低或高、活性氧产生增加以及细胞内信号分子紊乱。
因此，线粒体分裂和融合稳态对卵母细胞发育、成熟和胚胎发育的维持具有重要意义。如何通过调节线粒体动力学来提高卵母细胞和胚胎发育能力，特别是提高卵母细胞成熟障碍或胚胎发育停滞患者的繁殖能力？当体外培养条件改变时，线粒体形态、分布和功能可能会受到影响。在体外成熟培养基中添加褪黑素已被证明可以通过增加 ATP 的产生、减少细胞内活性氧的产生和降低钙水平来促进未成熟卵母细胞的成熟和随后的胚胎发育。
根据现有的研究，在培养基中添加适当水平的褪黑素可获得最佳的卵母细胞成熟、受精和囊胚形成率。褪黑素浓度过低或过高都无法达到最佳效果。线粒体分裂和融合稳态是保证卵母细胞和胚胎中线粒体活性适度的关键因素，可以维持胚胎的正常发育，避免氧化损伤。随着越来越多的分子或药物被逐渐发现，通过调节线粒体动力学的分子可能是未来提高女性生育能力的方法。
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结论
综上所述，线粒体动力学的稳态是一个多蛋白调节的生理过程（图1）。因此，体细胞或生殖细胞中相关基因或蛋白质的异常，会因线粒体形态和功能受损而导致线粒体动态平衡紊乱，导致器官功能障碍和疾病。动力相关蛋白1（DRP1）、线粒体融合蛋白（MFN1和MFN2）与女性生殖密切相关。基因或蛋白质的靶向治疗可能是线粒体动力学相关疾病的治疗方法。然而，从实验研究到临床应用还有很长的路要走。
翻 译：安徽医科大学第一临床医学院 李敏
编 辑：安徽医科大学第一临床医学院 张宁
指导老师：安徽医科大学第一附属医院 邹薇薇
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