MCU及MICU1在心血管疾病中的研究进展

钙离子(Ca~(2+))进入线粒体基质对细胞凋亡途径、生理功能以及胞浆内Ca~(2+)信号的调控起重要作用。在心肌细胞损伤中,线粒体Ca~(2+)转运是参与能量代谢、钙超载以及氧化磷酸化的关键环节。而线粒体钙单向转运体(mitochondrial calcium uniporter,MCU)和调节蛋白如线粒体钙摄取蛋白1(mitochondrial calcium uptake 1,MICU1),作为调控线粒体Ca~(2+)摄取的重要组成部分与心血管疾病密切相关。文章归纳总结了MCU及MICU1的结构和特点,并简要介绍了其在心血管疾病中的作用。     

线粒体钙单向转运蛋白在神经元氧化应激中的作用

在神经元氧化应激损伤中,线粒体被认为是参与氧化应激的关键环节,其主要参与维持离子平衡、信息传递、提供能量等过程。Ca~(2+)作为信息传递第二信使,在神经元氧化应激凋亡过程中起着重要作用。而线粒体钙单向转运蛋白(mitochondrial calcium uniporter,MCU)作为吸收Ca~(2+)的重要通道,自发现以来,就一直备受关注。本文就MCU的结构、与Ca~(2+)的相关关系、在神经元氧化应激中的作用作一综述。     

线粒体钙离子单向转运蛋白MCU及调节蛋白MICU1

线粒体钙离子摄入对能量生成、细胞分裂和死亡均具有十分重要的作用,但对该过程的机制却知之甚少。最近研究鉴定出线粒体钙离子单向转运蛋白(MCU,mitochondrial calcium uniporter)和线粒体钙离子摄入蛋白1(MICU1,mitochondrial calcium uptake 1),这两种蛋白都定位于线粒体内膜,均参与钙离子摄入。MCU拥有两个跨膜结构域,显示出钙离子通道活性并对钌红敏感,而MICU1具有两个典型的EF手形结构域,该结构可感知钙离子的变化,可能作为MCU调节蛋白发挥作用。这些研究进展对线粒体内稳态的理解和线粒体相关疾病的治疗具有重要意义。     

线粒体内质网结构偶联介导的线粒体Ca~(2+)摄取及其与肿瘤发生关系研究进展

线粒体内质网结构偶联(mitochondria-associated endoplasmic reticulum membranes,MAMs)是线粒体外膜与内质网膜间形成的、具有稳定间距的相互作用膜结构,在介导两细胞器间的物质和信息传递中发挥关键作用。研究表明, MAMs上分布有大量Ca~(2+)转运通道及相关调控蛋白,可精细调控线粒体Ca~(2+)稳态及ATP生成、细胞凋亡等一系列重要细胞生命活动。进一步研究还发现,MAMs上富集了大量肿瘤相关分子,因此,其参与恶性肿瘤发生的作用机制迅速成为肿瘤基础研究的热点。该文围绕MAMs对线粒体Ca~(2+)摄取及肿瘤发生调控的最新研究进展予以综述,旨在为进一步理解肿瘤发病机制提供新的思路和依据。     

海马神经元敲低MCU改善阿尔茨海默病小鼠学习记忆功能障碍

阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)是一种严重威胁老年人健康的神经退行性疾病,目前为止仍然缺乏有效的治疗方法。最新研究表明,线粒体功能紊乱是AD发展的直接原因。线粒体钙离子单向转运体(mitochondrial calcium uniporter,MCU)位于线粒体内膜,是线粒体Ca2+摄取的主要通道。MCU表达异常可引起线粒体钙稳态失衡,最终导致线粒体功能紊乱。本研究旨在明确敲低MCU对AD海马神经元和模型小鼠学习记忆功能的影响。以慢病毒和腺相关病毒为载体转染sh RNA,分别干扰海马神经元(HT22细胞)和淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein, APP)/早老素1 (presenilin 1, PS1)/tau AD转基因小鼠海马MCU表达,用MTS法检测HT22细胞活性,用Y迷宫和Morris水迷宫实验检测APP/PS1/tau转基因小鼠学习记忆功能障碍的变化。结果显示,MCU低表达可以逆转β淀粉样蛋白1-42 (amyloid beta protein 1-42, Aβ1-42)或冈田酸(okadaic acid, OA)...     

线粒体动力学及线粒体自噬调控机制的研究进展

线粒体形态和功能的异常与多种疾病的发生密切相关。线粒体通过不断的分裂和融合,维持线粒体网络的动态平衡,该过程称为线粒体动力学,是维持线粒体形态、分布和数量,保证细胞稳态的重要基础。此外,机体还通过线粒体自噬过程降解胞内功能异常的线粒体,维持线粒体稳态。线粒体动力学与线粒体自噬二者之间可相互调控,共同维持线粒体质量平衡。探讨线粒体动力学和线粒体自噬的调控机制对揭示多种疾病发生的分子机制、开发新的靶向线粒体动力学蛋白或线粒体自噬调控蛋白的药物具有重要意义。本文从线粒体动力学与线粒体自噬出发,对线粒体动力学调控机制、线粒体自噬及其发生机制以及二者的相互作用关系、线粒体动力学及线粒体自噬与人类相关疾病等方面作一综述。     

线粒体与细胞凋亡调控

细胞凋亡是一个受到一系列相关基因严格调控的细胞死亡过程。线粒体是细胞凋亡调控的活动中心。在凋亡因子的刺激下,线粒体释放出不同促凋亡因子如细胞色素C、Smac／Diablo等,激活细胞内凋亡蛋白酶Caspase。我们发现,活化后的Caspase可以反过来作用于线粒体,引发更大量线粒体细胞色素c的释放,构成细胞色素c释放的正反馈调节机制,从而导致电子传递链的中断、膜电势的丧失、胞内ROS的升高以及线粒体产生ATP功能的完全丧失。Bcl-2家族蛋白在细胞色素C释放和细胞凋亡调控中起关键作用。     

线粒体铁代谢与人类疾病的研究进展

线粒体铁代谢的研究主要包括两个方面：铁在胞质和线粒体之间的转运和调控;铁硫簇和血红素在线粒体内的合成与转运。目前认为线粒体铁的转入主要是与mitoferrinl／2（MFRNl和MFRN2）和ABCBl0有关,运出可能与ABCB6和／或ABCB7有关,转运和调控的具体机制不是很清楚,推测与某种含有铁硫簇的信号分子有关。哺乳动物铁硫簇的合成可以发生在胞质和线粒体内,但以线粒体为主;真核生物中与铁硫簇合成相关的蛋白达二十多种,其中FXN、ISCS、ISDll和ISCU及其同系物被认为是核心组分。血红素的合成起始和终止发生在线粒体内,终止步骤为亚铁螯合酶将铁插入原卟啉IX,该酶活性又依赖于铁硫簇。因此,铁硫簇的合成与调控是线粒体铁代谢的核心,也是整个细胞铁运作的核心。本文主要围绕线粒体铁代谢特别是铁硫簇的合成异常引起的疾病做一简单的综述。     

致凋亡的声动力疗法诱导巨噬细胞线粒体钙升高的机制研究

目的:研究致凋亡的声动力疗法诱导巨噬细胞线粒体钙升高的机制。方法:应用佛波酯(PMA)诱导THP-1单核细胞分化为巨噬细胞进行实验研究。选用5-氨基酮戊酸(ALA)作为声敏剂,进行声动力治疗(SDT)。应用流式细胞术证实SDT显著促进了细胞凋亡;应用Rhod 2/AM实时监测线粒体Ca~(2+)水平;通过蛋白质免疫印迹对全细胞蛋白中的Bax、Cleaved-caspase3、电压依赖性阴离子通道1(VDAC1)和三磷酸肌醇Ⅲ型受体(IP3R-Ⅲ)进行检测;应用VDAC1抗体进行免疫共沉淀,检测VDAC1和IP3R-Ⅲ之间的相互作用;实时监测线粒体Ca~(2+)水平,检测VDAC抑制剂DIDS和IP3Rs抑制剂2-ABP对SDT效果的影响。结果:与对照组相比,仅SDT组出现了显著的细胞凋亡(P0.001)。与对照组相比,ALA对线粒体Ca~(2+)水平无明显影响,超声诱导了线粒体Ca~(2+)水平的明显升高,SDT诱导了线粒体Ca~(2+)水平快速且大幅度的升高,且去除超声后仍维持在较高水平。与对照组相比,超声对Bax、Cleaved-caspase3、VDAC1和IP3R-Ⅲ的表达无明显影响,ALA诱导了VDAC1(P0.01)和IP3R-Ⅲ表达量的增加(P0.05),SDT诱导了Bax(P0.001)、Cleaved-caspase3(P0.001)、VDAC1(P0.01)和IP3R-Ⅲ(P0.05)表达量的增加,VDAC1和IP3R-Ⅲ的增加幅度与ALA组接近;ALA和SDT均诱导了VDAC1和IP3R-Ⅲ之间相互作用的显著增强(P0.05)。DIDS和2-ABP均明显抑制了SDT诱导的线粒体Ca~(2+)增加。结论:在致凋亡的SDT作用于THP-1巨噬细胞的过程中,ALA诱导了线粒体外膜Ca~(2+)转运通道VDAC1和内质网重要Ca~(2+)转运通道IP3R-Ⅲ的表达量增加与二者间相互作用的增强,在内质网和线粒体之间建立了大量的Ca~(2+)转运通道,超声的作用则在于触发这些Ca~(2+)转运通道的开放,进而引发线粒体钙的迅速增加。这是后续线粒体凋亡通路启动的重要机制之一。     

TRP通道与自噬相关性的探讨

TRP通道(Transient Receptor Potential,瞬时受体电位通道)是细胞内重要的Ca~(2+)调控通道,其在细胞内有着独特的分布及其能与其它钙离子传感元件特定地相互作用。TRP通道蛋白通过对Ca~(2+)的调控发挥调节细胞的多种生理活动,如自噬和凋亡等。其中细胞质膜或是细胞器膜上的这些钙离子通道开放后可提升胞质[Ca~(2+)]i,为自噬的启动提供Ca~(2+)。自噬启动的初衷是为了使细胞能够在缺氧、营养匮乏及病理因素等应激状态下降解细胞内某些细胞成分满足某些重要生理活动的物质需求,但有大量的研究显示过度的自噬可导致细胞发生与凋亡相关的细胞程序性死亡,因而TRP通道对自噬的调控作用与疾病的发生、发展紧密相连,如TRPML1(Transient Receptor Potential mucolipin-1)与IV型粘膜脂质沉积症相关。根据目前对TRP通道与自噬的研究结果来看,不同的TRP通道可通过不同的机制升高胞质[Ca~(2+)]i,这都与不同TRP通道蛋白在细胞内的特定分布有关,如TRPV(Transient receptor potential vanilloid)通道主要在细胞质膜或内质网膜上调控Ca~(2+),而TRPML则主要在溶酶体上发挥作用,但具体分子通路激活机制尚需进一步研究。     

线粒体单体型与线粒体相关的人类疾病

线粒体是一种拥有自身遗传体系的半自主细胞器,它的遗传物质线粒体DNA(mitochondrial DNA,mt DNA)随着人类的迁移、隔离、进化而形成了广泛的线粒体基因组多态性,同一祖先所具有的一些相同mt DNA SNP位点的集合称为线粒体单体型.不同的线粒体单体型会在一定程度上影响线粒体功能,从而影响整个细胞的生长,并在某些情况下导致一些个体的病变,例如Leber遗传性视神经病变、母系遗传性耳聋、Ⅱ型糖尿病、帕金森以及各种癌症等复杂疾病.本文列举总结了几种线粒体相关疾病及其与线粒体单体型如A、B、D、F、G、H、J、K、M、N、T、U、Y及一些有特点的多态位点如G11778A、A1555G、T3394C、G10398A等的相关性.     

人类线粒体tRNA生物合成与线粒体疾病

线粒体是普遍存在于真核细胞中的一类细胞器.每个线粒体含有多个拷贝的闭合环状双链DNA. 人类线粒体DNA (mitochondrial DNA, mtDNA)共编码22种线粒体tRNA(mitochondrial tRNA,mt tRNA), 2种rRNA 及13种多肽.mt tRNA独特的结构特点决定了它们与具有典型三叶草结构的细胞质 tRNA不同.编码mt tRNA的基因突变频率较高,这可能是引起线粒体功能障碍的主要原因之一. 同时 ,这与很多病理现象相关.目前发现,大量与mt tRNA生物代谢和功能相关的核因子包括加工内切酶、 tRNA修饰酶和氨酰-tRNA合成酶.这些核因子的异常导致了疾病相关的tRNA致病突变.由此可见mt tRNA功能对于线粒体活性的重要性.     

The Mitochondrial Genome and Human Mitochondrial Diseases

To date, more than 100 point mutations and several hundreds of structural rearrangements of mitochondrial DNA (mtDNA) are known too be connected with characteristic neuromuscular and other mitochondrial syndromes varying form those causing death at the neonatal stage to diseases with late ages of onset. The immediate cause of mitochondrial disorders is a defective oxidative phosphorylation. Wide phenotypic variation and the heteroplasmy phenomenon, which some authors include in mutation load, are characteristic of human mitochondrial diseases. As the numbers of cases identified and pedigrees described increase, data on the genotype–phenotype interaction and the structure and frequency of pathogenic and conditionally pathogenic mtDNA mutations in human populations are rapidly accumulated. The data on the genetics and epidemiology of mitochondrial diseases are not only important for differential diagnosis and genetic counseling. Since both neutral and mildly pathogenic mutations of mtDNA are progressively accumulated in maternal phyletic lines, molecular analysis of these mutations permits not only reconstruction of the genealogical tree of modern humans, but also estimation of the role that these mutations play in natural selection.     

Mitochondrial ferritin

A novel ferritin type specifically targeted to mitochondria has been recently found in human and mouse. It is structurally and functionally similar to the cytosolic ferritins, well-characterized molecules found in most living systems which are designed to store and detoxify cellular iron. Cytosolic ferritins in mammals are ubiquitous while mitochondrial ferritin expression is restricted mainly to the testis, neuronal cells and islets of Langherans. In addition, it is abundant in the iron-loaded mitochondria of erythroblasts of patients with sideroblastic anaemia. The characterization of recombinant and transfected mitochondrial ferritin indicated that this protein has a role in protecting mitochondria from iron-induced damage. These data suggest that it is an interesting tool to study the iron metabolism in this organelle. In addition, it may be useful for the diagnosis of myelodysplastic syndromes and in protecting mitochondria from the toxic effects of excess iron.     

Mitochondrial medicine

After reviewing the history of mitochondrial diseases, I follow a genetic classification to discuss new developments and old conundrums. In the field of mitochondrial DNA (mtDNA) mutations, I argue that we are not yet scraping the bottom of the barrel because: (i) new mtDNA mutations are still being discovered, especially in protein-coding genes; (ii) the pathogenicity of homoplasmic mutations is being revisited; (iii) some genetic dogmas are chipped but not broken; (iv) mtDNA haplotypes are gaining interest in human pathology; (v) pathogenesis is still largely enigmatic. In the field of nuclear DNA (nDNA) mutations, there has been good progress in our understanding of disorders due to faulty intergenomic communication. Of the genes responsible for multiple deletions and depletion of mtDNA, mutations in POLG have been associated with a great variety of clinical phenotypes in humans and to precocious aging in mice. Novel pathogenetic mechanisms include alterations in the lipid milieu of the inner mitochondrial membrane and mutations in genes controlling mitochondrial motility, fission, and fusion.     

Mitochondrial sirtuins

Sirtuins have emerged as important proteins in aging, stress resistance and metabolic regulation. Three sirtuins, SIRT3, 4 and 5, are located within the mitochondrial matrix. SIRT3 and SIRT5 are NAD⁺-dependent deacetylases that remove acetyl groups from acetyllysine-modified proteins and yield 2′-O-acetyl-ADP-ribose and nicotinamide. SIRT4 can transfer the ADP-ribose group from NAD⁺ onto acceptor proteins. Recent findings reveal that a large fraction of mitochondrial proteins are acetylated and that mitochondrial protein acetylation is modulated by nutritional status. This and the identification of targets for SIRT3, 4 and 5 support the model that mitochondrial sirtuins are metabolic sensors that modulate the activity of metabolic enzymes via protein deacetylation or mono-ADP-ribosylation. Here, we review and discuss recent progress in the study of mitochondrial sirtuins and their targets.