线粒体ATP合酶抑制因子1在线粒体稳态中的调节作用

线粒体作为细胞的重要能量来源,其数量、质量及功能的稳定对维持细胞的正常活动至关重要,且其稳态的调节依赖于线粒体质量控制系统(包括线粒体自噬、线粒体融合/分裂及线粒体生物合成等)。线粒体蛋白ATP合酶抑制因子1(ATP synthase inhibitor 1, IF1)是线粒体基质中抑制F1FoATP酶/合酶活性的天然小分子蛋白质。在细胞缺氧缺血等特殊生理情况下, IF1通过改变自身的聚合状态,抑制F1FoATP酶水解ATP的活性,从而抑制细胞内的ATP被过度水解。最近的研究证实, IF1的抑制作用是双向的,其即可抑制F1FoATP酶活性,又可抑制F1FoATP合酶活性。因此, IF1可通过靶向F1FoATP酶/合酶活性及相关信号通路,参与调节线粒体质量,维持线粒体稳态。该文综述IF1在线粒体质量控制中的相关调节机制,包括IF1维持线粒体氧化还原平衡、IF1介导线粒体自噬、IF1促进线粒体融合/分裂三条通路,以及三者之间相互作用的关系,为探索IF1在相关疾病的发生、发展及治疗中的作用提供理论参考。     

线粒体ATP合酶抑制因子(ATPIF1)在能量代谢中的作用

线粒体是真核细胞中动态双层膜结构的细胞器,由外至内可以划分为四个功能区,分别是线粒体外膜(OMM),线粒体膜间隙,线粒体内膜(IMM)和线粒体基质。在线粒体内膜上的复合体V(complex V)即为ATP合酶,其主要功能是合成ATP。实际上,ATP合酶既合成也水解ATP,对细胞ATP水平有双向调节作用。ATP合酶的活性受抑制因子(ATPIF1)的调节。ATPIF1与ATP合酶结合后,对其ATP合成和水解功能进行抑制,从而影响线粒体和细胞内ATP水平。ATPIF1活性受到组氨酸质子化状态和丝氨酸磷酸化修饰的调节。在缺氧,交感神经兴奋和肿瘤等条件下,ATPIF1发挥重要代谢调节作用,但其在代谢紊乱疾病中的作用尚不明确。本文在综述ATPIF1文献的基础上,对其在糖脂代谢紊乱疾病中的作用进行分析及展望。     

雌激素神经保护作用机制:线粒体功能的调节

大量研究表明雌激素具有神经保护作用,但其机制尚不清楚。近年来研究提示,雌激素的神经保护作用与线粒体有着密切联系。线粒体是细胞内能量和活性氧自由基(ROS)的主要来源,对细胞内信号转导、细胞存活与死亡调节等具有十分重要的影响。在生理和病理条件下,雌激素可多方面调节线粒体功能,包括影响ATP与ROS的生成、稳定线粒体膜电位、维护细胞内钙稳态,以及调节线粒体基因和蛋白表达等。本文主要从线粒体角度综述了雌激素神经保护作用及其机制。     

生理病理状态下线粒体合成ATP的动态调控机制

线粒体是细胞的代谢中心之一,不仅产生大量的ATP为细胞提供能量,还参与多种生物分子(例如核酸、氨基酸、胆固醇和脂肪酸)合成及代谢废物的处理。ATP是细胞重要的"能源货币",是能量载体和信号分子,参与调节细胞的各种生命活动。动物与人在激烈运动时,ATP消耗速率增加数十倍,但细胞内的ATP仍维持在"设定点"水平,不出现降低。因此,传统生理学观点认为,动物细胞内ATP水平保持恒定。但新的研究结果表明,生物细胞内ATP水平存在波动。生理条件下,增加能量物资(糖、脂和氨基酸等)和氧供,促进线粒体ATP合成,可使细胞内ATP水平出现一过性升高。新的研究证明,在肥胖情况下,由于能量物质的过多供应,细胞内ATP水平出现持续性升高,构成代谢紊乱的源头信号。线粒体ATP合成受多种因素影响,如氧化应激、钙超载、缺氧、线粒体膜通透性增加和线粒体DNA突变等。这些因素与疾病条件下细胞内ATP水平持续降低相关,常见的疾病包括阿尔茨海默症、帕金森疾病、精神分裂症、肿瘤、心衰、全身炎症反应综合征等。本综述简要概述线粒体调节细胞内ATP水平的研究进展,重点讨论造成ATP波动的因素、机制及病理生理学意义。     

生理病理状态下线粒体合成ATP动态调控机制

线粒体是细胞的代谢中心之一,不仅产生大量的ATP为细胞提供能量,还参与多种生物分子（例如核酸、氨基酸、胆固醇和脂肪酸）合成及代谢废物的处理。ATP是细胞重要的“能源货币”,是能量载体和信号分子,参与调节细胞的各种生命活动。动物与人在激烈运动时,ATP消耗速率增加数十倍,但细胞内的ATP仍维持在“设定点”水平,不出现降低。因此,传统生理学观点认为,动物细胞内ATP水平保持恒定。但新的研究结果表明,生物细胞内ATP水平存在波动。生理条件下,增加能量物资（糖、脂和氨基酸等）和氧供,促进线粒体ATP合成,可使细胞内ATP水平出现一过性升高。新的研究证明,在肥胖情况下,由于能量物质的过多供应,细胞内ATP水平出现持续性升高,构成代谢紊乱的源头信号。线粒体ATP合成受多种因素影响,如氧化应激、钙超载、缺氧、线粒体膜通透性增加和线粒体DNA突变等。这些因素与疾病条件下细胞内ATP水平持续降低相关,常见的疾病包括阿尔茨海默症、帕金森疾病、精神分裂症、肿瘤、心衰、全身炎症反应综合征等。本综述简要概述线粒体调节细胞内ATP水平的研究进展,重点讨论造成ATP波动的因素、机制及病理生理学意义。     

生理病理状态下线粒体合成ATP动态调控机制

线粒体是细胞的代谢中心之一，不仅产生大量的ATP为细胞提供能量，还参与多种生物分子（例如核酸、氨基酸、胆固醇和脂肪酸）合成及代谢废物的处理。ATP是细胞重要的“能源货币”，是能量载体和信号分子，参与调节细胞的各种生命活动。动物与人在激烈运动时，ATP消耗速率增加数十倍，但细胞内的ATP仍维持在“设定点”水平，不出现降低。因此，传统生理学观点认为，动物细胞内ATP水平保持恒定。但新的研究结果表明，生物细胞内ATP水平存在波动。生理条件下，增加能量物资（糖、脂和氨基酸等）和氧供，促进线粒体ATP合成，可使细胞内ATP水平出现一过性升高。新的研究证明，在肥胖情况下，由于能量物质的过多供应，细胞内ATP水平出现持续性升高,构成代谢紊乱的源头信号。线粒体ATP合成受多种因素影响，如氧化应激、钙超载、缺氧、线粒体膜通透性增加和线粒体DNA突变等。这些因素与疾病条件下细胞内ATP水平持续降低相关，常见的疾病包括阿尔茨海默症、帕金森疾病、精神分裂症、肿瘤、心衰、全身炎症反应综合征等。本综述简要概述线粒体调节细胞内ATP水平的研究进展，重点讨论造成ATP波动的因素、机制及病理生理学意义。     

AMPK对线粒体功能的调节

5’单磷酸腺苷活化蛋白激酶（AMP—activated protein kinase,AMPK）是细胞的能量感受器,调节细胞能量代谢,在正常细胞和癌细胞中均发挥重要的生物功能,它的激活有助于纠正代谢紊乱,使细胞代谢趋向生理平衡。在细胞应急反应中,细胞感受到能量危机,ATP浓度下降,AMP浓度上升,细胞内AMP／ATP比例上升,AMPK被激活：而在病理状态下,如代谢综合征、肿瘤等,常伴随能量代谢紊乱和AMPK激活抑制,因此,AMPK被视为治疗代谢性疾病与肿瘤的潜在作用靶点。然而,AMPK对能量代谢的调节与线粒体的功能密不可分,线粒体作为细胞的能量工厂,在健康与疾病中也发挥着重要的作用。越来越多的研究表明,线粒体能影响AMPK的活性,同时AMPK也通过多方面对线粒体进行调节,线粒体相关疾病与AMPK的调节有着密切的关系。该文主要针对AMPK是如何对线粒体的合成、线粒体自噬、内源性凋亡及线粒体相关疾病等方面进行综述。     

线粒体动力学与细胞能量代谢的关系及运动干预研究进展

线粒体动力学主要涉及线粒体融合、分裂及自噬,在维持细胞生理机能和稳态中发挥重要作用。线粒体是人体能量工厂,因此其融合、分裂及自噬的变化对细胞呼吸及能量的合成供给有重要意义,另一方面细胞能量代谢变化反过来也影响线粒体动力学。本文对调节线粒体融合、分裂及自噬的相关蛋白与能量代谢关系的研究进展进行综述,重点分析运动干预下线粒体动力学与电子链复合物表达、氧化磷酸化、ATP合成的关系,为运动训练及疾病干预研究提供参考。     

细胞内ATP水平调节机制在肥胖病理生理中的作用

ATP是细胞的重要能源。传统观点认为细胞内ATP水平相对恒定,不会出现持续升高。而新的研究提示:在能量过剩状态下,ATP水平在多种组织中持续升高,这种升高与能量过剩引起的代谢紊乱密切相关,但其升高机制尚不清楚。本文通过回顾本研究组前期实验结果和文献,论述调节细胞内ATP水平的多种因素,其中涉及超氧离子、线粒体炫、抗氧化剂、抗凋亡蛋白(Bcl-xL)、AMP活化的蛋白激酶以及二甲双胍等,重点讨论这些因素改变ATP设定点的作用及其潜在机制,评估它们在细胞内ATP水平升高或降低中扮演的角色。本文以能量过剩的分子机制为中心,探讨细胞内ATP水平升高导致胰岛素抵抗的分子机制,同时阐明新的实验结果与ATP传统观点之间发生矛盾的可能原因。作者认为在肥胖条件下,ATP水平升高是细胞能量过剩的重要信号,该信号通过激活反馈通路抑制线粒体功能,造成糖脂代谢紊乱。     

细胞核基因组和线粒体基因组的相互作用

线粒体DNA是细胞内唯一的核外遗传物质,线粒体的主要功能是合成ATP,为细胞生命活动提供直接能量。线粒体基因组与核基因组在基因、蛋白以及细胞水平上相互作用,共同保证细胞能量代谢有关的活动,维持着线粒体的正常功能和细胞的正常状态。     

低表达线粒体蛋白ISCA2对线粒体功能影响的机制研究

该文探讨了ISCA2蛋白低表达对细胞内铁硫蛋白和能量代谢的影响。在HeLa细胞内将ISCA2基因敲低,通过免疫印迹、顺乌头酸酶胶内酶活性分析法分析线粒体内外铁硫蛋白水平和活性改变;用紫外–可见分光光度法检测细胞线粒体内氧化磷酸化复合体活性;用海马能量分析仪分析细胞内能量代谢的改变。结果表明,ISCA2蛋白低表达后,氧化磷酸化复合体中各铁硫蛋白亚基都出现不同程度的下调,且对于线粒体[4Fe-4S]型铁硫蛋白亚基影响显著,但对线粒体[2Fe-2S]型铁硫蛋白亚基以及胞质[4Fe-4S]型铁硫蛋白亚基影响较小。同时,ISCA2蛋白低表达后对线粒体复合体活性和线粒体能量代谢影响显著,细胞有氧呼吸降低,细胞外乳酸含量增加。这些结果表明,ISCA2蛋白低表达后抑制铁硫簇的组装,导致铁硫蛋白功能障碍,影响线粒体复合体活性和氧化磷酸化系统,使得细胞能量代谢紊乱。     

线粒体DNA异常与肿瘤

能量代谢重编程是肿瘤细胞一个重要的标志特征,而由线粒体DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)结构及功能异常引起的线粒体功能障碍是其机制之一。人类mtDNA为位于线粒体基质中由16569bp组成的双链闭合环状分子,编码与氧化磷酸化电子传递链相关的13种多肽以及与线粒体蛋白合成相关的22种tRNA和2种rRNA。近年来,人们发现多种肿瘤组织及细胞中存在mtDNA序列的多类型突变或拷贝数的变异,且mtDNA的这些异常与肿瘤的发生发展、早期诊断及放化疗监测等密切相关。异常的mtDNA因削弱线粒体产能、增加细胞内活性氧(reactive oxygen species,ROS)水平、打破Ca2+稳态,从而赋予肿瘤细胞代谢重编程、凋亡抵抗等侵袭性进程。针对mtDNA异常在肿瘤发生发展中的作用及机制研究,将为肿瘤的早期诊断及靶向治疗提供新的策略。     

Sirtuin在热量限制延长寿命机制中的研究进展

热量限制(caloric restriction, CR)可以引起细胞、生物体寿命延长和降低衰老相关疾病的发生,其中Sirtuin起着关键作用．Sirtuin将机体能量代谢和基因表达调控相偶联,通过赖氨酸去乙酰化改变蛋白质的活性和稳定性,从而调节衰老进程．酵母中度CR影响其复制寿命和时序寿命,主要依赖于激活Sir2,增加细胞内NAD+/NADH的比例和调节尼克酰胺浓度来实现．类似的机制也存在于秀丽线虫和果蝇中．哺乳动物在CR条件下SIRT1蛋白表达应答性上升,细胞中NAM磷酸基转移酶能够直接影响NAM和NAD+浓度,并影响SIRT1活性．NO表达增加能导致SIRT1上调和线粒体合成增加．SIRT1可能通过改变组蛋白、p53、NES1、FOXO等底物蛋白的乙酰化影响到细胞和个体的衰老．表明不同生物体中的Sirtuin及其同源类似物在CR条件下对衰老进程和寿命都起着非常重要的作用．     

慢病毒介导shRNA特异性干扰MRPL18基因对胰岛素瘤细胞线粒体能量代谢的影响

为了观察线粒体核糖体蛋白大亚基18(mitochondrial ribosomal proteins L18,MRPL18)基因低表达对小鼠胰岛素瘤细胞(MIN6)线粒体能量代谢的影响,该研究利用慢病毒介导的MRPL18 shRNA特异性干扰MRPL18基因,构建MRPL18基因低表达的MIN6细胞模型。Real-time PCR和Western blot检测干扰前后MRPL18 mRNA和蛋白质的表达情况。流式细胞仪检测细胞活性氧(reactive oxygen species,ROS)水平变化。海马生物能量代谢仪检测细胞线粒体功能。高效液相色谱检测细胞ATP、ADP和AMP含量。结果显示:转染MRPL18-shRNA后,MRPL18 mRNA和蛋白质表达均显著降低(P0.05、P0.01),细胞ROS明显升高(P0.05);细胞氧耗率、基础呼吸、最大呼吸和储备呼吸能力显著降低,同时ATP产量和质子漏也减少(P0.05、P0.01)。细胞ATP含量和能荷较对照组减少,ADP和AMP含量显著增加(P0.05、P0.01)。证实了MRPL18基因表达下调后细胞内发生了代谢障碍。推测MRPL18是影响线粒体功能的关键蛋白质,该蛋白在细胞代谢过程中发挥着重要作用。MRPL18表达下降所建立的线粒体功能障碍的MIN6细胞模型,可用于线粒体糖尿病发病分子机制的研究。     

MFRN1过表达对293T细胞生长及线粒体功能的影响

Mitoferrin-1(MFRN1)是溶质携带蛋白家族的一员,是线粒体内膜上最主要的铁运输蛋白。为了观察MFRN1过表达对293T细胞生长及线粒体功能的影响,采用包装慢病毒和感染293T细胞的方法构建MFRN1稳定过表达的细胞模型(293T-MFRN1),并对其线粒体功能进行评价。构建的稳定细胞株293T-MFRN1中MFRN1转录水平及蛋白表达水平显著增加(P0.01),MFRN1过表达细胞线粒体内总铁的含量明显增加(P0.05);电镜显示线粒体结构损伤,线粒体嵴减少、空泡化;线粒体能量代谢受抑制,细胞ATP含量显著下降,腺苷酸池总量(ATP+ADP+AMP)比对照组减少约40%;细胞生长受到抑制,在细胞培养48 h后高表达组细胞数量显著低于对照组;细胞内羟自由基(·OH)含量增加;线粒体DNA发生明显的氧化损伤。以上表明,MFRN1表达量的稳定对细胞功能极为重要,表达量异常增加将导致细胞线粒体功能障碍、细胞增殖抑制。     

HCMV感染单核细胞对细胞能量代谢的影响

该文旨在探讨人巨细胞病毒(human cytomegalovirus,HCMV)感染人单核白血病细胞(THP-1)后对其能量代谢的影响。采用流式细胞仪、海马生物能量测定仪分别检测HCMV感染THP-1后细胞的存活率、有氧呼吸率(oxygen consumption rate,OCR)和细胞外酸化率(extracellular acidification rate,ECAR);Western blot检测线粒体动力学相关蛋白;采用RNA-seq和质谱技术检测细胞代谢相关基因及蛋白表达水平。结果显示,HCMV感染24 h、48 h及72 h后,线粒体氧化磷酸化水平上升,糖酵解水平下降(P0.05);感染组线粒体融合相关蛋白MFN1、OPA1及OMA1表达量较对照组升高(P0.05);感染组ATP8A1、ATP6AP1L及ATP6V1C2等氧化磷酸化相关基因表达显著上调(P0.001),LDHA、ENO3及ENO1等糖酵解相关基因表达显著下调(P0.001);感染组ATP6V1A、ATP5O及PGP等细胞代谢相关蛋白表达显著上调(P0.01)。研究表明,HCMV感染THP-1细胞可能通过诱导线粒体融合及调控细胞能量代谢相关基因和蛋白的表达,促进细胞氧化磷酸化并抑制糖酵解水平。     

ATP浓度和缺氧暴露对大鼠脑线粒体RNA和蛋白质体外合成的影响

本文探讨介质中ATP浓度和急,慢性缺氧暴露对大鼠脑线粒体内RNA和蛋白质合成的影响。用差速离心法分离正常和低压舱模拟4000m高原急性连续缺氧暴露3d和慢性连续缺氧暴露40d大鼠脑线粒体,用体外无细胞（cell-free in vitro)^3H-UTP和^3H-Leucine掺入法分别测定线粒体RNA和蛋白质合成活性,结果显示,大鼠急性缺氧暴露后大脑皮质线粒体RNA体外合成活性降低40%,蛋白质合成活性降低60%;慢性缺氧暴露后线粒体RNA和蛋白质合成活性分别为对照的72%和76%;ATP对正常大鼠脑线粒体RNA以及蛋白质的体外合成活性的影响均呈双相性,大于或小于1mmol/L均可产生不同程度的抑制效应,结果提示,缺氧可在转录和翻译两个水平上影响脑线粒体mtDNA的表达,而慢性缺氧暴露时,线粒体半自主性功能的改善可能是机体对缺氧适应的细胞机制之一;ATP对脑线粒体内转录和释放活性的调节是一种经济有效的反馈调节方式。     

MFN1介导的线粒体融合在心肌细胞凋亡中的作用研究

目的:探讨线粒体融合关键蛋白MFN1介导的线粒体融合在调控心肌细胞凋亡中的作用。方法:通过si RNA降低体外培养H9C2心肌细胞中MFN1的表达后,采用Western blot检测线粒体细胞色素c(Cyto c)释放及其下游凋亡效应分子Caspase9与Caspase3活性,流式细胞术检测细胞内活性氧(ROS)的产生情况,流式细胞术检测细胞凋亡的情况。结果:干扰MFN1可显著促进H9C2心肌细胞内细胞色素c由线粒体释放至胞浆,促进Caspase9与Caspase3的激活,增加细胞内活性氧ROS产生并提高细胞凋亡率(均P0.05)。结论:MFN1介导的线粒体融合可保护心肌细胞凋亡,其机制可能与抑制ROS产生与细胞色素C释放有关。     

LONP1过表达在肿瘤发生发展中的作用

线粒体ATP依赖的LON蛋白水解酶(又称LONP1),是由核基因LONP1编码的线粒体的重要蛋白之一,在调节线粒体代谢活动、维持线粒体稳态和修复线粒体DNA中具有重要作用。近年来,有关LONP1参与的生理功能以及人类疾病(包括癌症、神经退行性疾病、心脏病和中风)的研究逐渐增加,研究者已经明确,许多线粒体疾病的发生发展机制涉及不同程度的LONP1功能障碍。本文对LONP1的正常功能、在恶性肿瘤细胞中的表达情况、作用机制及其对多种肿瘤发生发展的影响进行综述,旨在为临床恶性肿瘤生物学诊治提供新的靶标。     

ATP合成下降在β细胞胰岛素分泌障碍中的作用

胰岛β细胞胰岛素分泌过程是受多种因素协调精确控制的,ATP合成酶在这一调控网络中起着重要作用.高糖、高脂及炎症细胞因子,通过不同的信号通路,引起线粒体膜电位改变及/或ATP合成酶核心亚基表达下降,导致ATP合成速率下降,是β胰岛素分泌障碍发生的共同核心环节,在2型糖尿病病理生理过程中起了关键性作用.糖尿病动物胰岛β细胞内的ATP含量较正常β细胞明显降低,而上调2型糖尿病患者胰岛细胞ATP合成酶β亚基表达能提高ATP合成速率,增加细胞ATP含量并逆转损伤的胰岛素分泌功能.目前的研究提示,亮氨酸、肠抑素(enterostatin)及过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPAR-γ)能通过调控ATP合成酶β亚基表达或活性提高细胞ATP合成速率,这为改善β细胞功能障碍提供了新的思路和信息.