ATP合酶C亚基与线粒体通透性转换孔的研究进展

刘媛媛 王 来

(河南大学生命科学学院 开封 475001)

线粒体膜功能的完整对于维持细胞的正常代谢至关重要。一般情况下，线粒体膜对转运的物质具有高度选择性，能维持膜两侧的电化学质子梯度，从而保证能量分子ATP的生成。然而，在病理情况下，线粒体膜发生通透性转换(permeability transition，PT)，膜对物质的选择性丧失，致使膜两侧电化学质子梯度消失，氧化磷酸化过程破坏，能量生成被迫停止。同时，线粒体内的细胞色素C、凋亡诱导因子(apoptosis-inducing factor，AIF)等促凋亡分子释放到胞质，诱导细胞凋亡。线粒体通透性转换孔( mitochondrial permeability transition pore，MPTP)是由多个蛋白质组成的贯穿线粒体内外膜的非选择性孔道，介导线粒体通透性转换。近年研究发现，线粒体内膜上的ATP合酶C亚基参与线粒体通透性转换孔的形成。本文对ATP合酶C亚基组成的C-环结构、功能及参与线粒体通透性转换孔形成和调控的研究进展进行综述。

1 C-环与ATP合酶

1.1 C-环结构与ATP合酶 ATP合酶位于线粒体内膜上，参与细胞的氧化磷酸化过程，在质子流推动下，驱动ATP合成。ATP合酶由偶联因子0(F0)和偶联因子1(F1)两部分组成，其中F1具有亲水性，主要催化ATP的合成，在缺乏质子梯度的情况下呈现水解ATP的活性；F0则具有疏水性，嵌合于线粒体内膜上。F0的C亚基排列成圆环，被称为C-环(C-Ring)，它实质是一个圆柱状的疏水孔，也位于线粒体内膜上。C-环由8～15个C亚基组成，不同物种具有不同的C亚基数目。但在同一物种内，C亚基数目及C-环的相对分子量与结构都是高度保守的[1]。C亚基是组成C-环的基本单位，具有疏水性，通常呈发夹式结构。C亚基的氨基和羧基末端都发生α-折叠，并位于另一个亚基相同末端的两侧，形成同心圆结构。一些成环结构把这些同心圆连接起来组成一个大的中空圆环，即C-环[2]。偶联因子0(F0)包括a、e、f、g、A6L和C-环等亚基，偶联因子1(F1)包括三个拷贝的α与β亚基和一个拷贝的γ、δ和ε，以及沿a亚基延伸b、d、F6和寡霉素敏感蛋白(oligomycin sensitivity conferral protein ,OSCP)等亚基[3]。F1的γ亚基与ε亚基连接，并与F0的C-环相互联系，位于中空的C-环内部，组成ATP合酶的转子。而α、β、a和b亚基与δ亚基相互联系，组成ATP合酶的定子[4]。OSCP与δ亚基的功能相似[5]。

1.2 C-环在ATP合成中的作用 C-环作为ATP合酶的结构成分，在ATP合成过程中发挥重要作用。细胞通过氧化磷酸化供能时，在电子传递链的作用下，线粒体内膜两侧形成质子电化学梯度，质子的转运必须在ATP合酶的作用下完成。研究发现其跨膜通道位于a亚基与C-环之间，并且当质子通过该通道时会引起C-环的旋转，这就会导致连接F1与C-环的中心亚基发生逆时针旋转运动[6]，也可能是垂直于膜的往返运动[5]，进而把质子跨膜信号传递到F1，使其催化ATP的合成。

2 C-环与线粒体通透性转换孔

2.1 C-环参与线粒体通透性转换孔的形成 线粒体通透性转换孔参与多种疾病的病理过程。实验证明，环孢素A (cyclosporinA, CsA)、饱和脂肪酸(saturated fatty acids，SFA) 等分子可抑制该通道开放，从而缓解病症的发生、发展。因此，线粒体通透性转换孔的分子结构及调控机制受到广泛深入的研究。早期研究认为，位于线粒体外膜上的电压依赖性阴离子通道蛋白 (voltage dependent anion channel，VDAC)、内膜上的腺苷酸转移酶 (adenine nucleotide translocator，ANT)、基质侧的亲环蛋白D(cyclophilin D，Cyp-D) 和磷酸转运体(phosphate carrier，PiC)等蛋白可能是线粒体通透性转换孔的重要结构成分。然而，将这些蛋白的基因分别敲除后发现，它们并不是构成线粒体通透性转换孔的必需结构成分。

研究发现，ATP合酶中的C-环才可能是线粒体通透性转换孔的主要结构和功能成分：把F0F1二聚体重建在脂质膜上并用钙离子处理后，发现其可形成一个类似线粒体通透性转换孔的活性通道[7]；构建在人工线粒体膜上的纯化的C亚基或F0可以单独形成离子通道[8]，而该通道可通过非特异性电流，并当有离子通过时其直径会持续增大，这从侧面证实C-环可以构建通透性转换孔[9]；C亚基基因被敲除或沉默后，高浓度钙离子不能再诱导线粒体通透性转换孔的开放[10]。相反，C亚基的过表达会显著增强线粒体的通透转换作用[11]，说明C亚基构成的C-环可能参与线粒体通透性转换孔的通透作用；C-环还具有形成通透性转换孔的结构优势，它镶嵌于线粒体内膜并位于F1F0二聚体的外围，独立于中心部位，便于与其他亚基分离形成离子通道[11]。

Azarashvili等指出磷酸化的C亚基可以加快通透作用，使时间更短更有效，且可增强通透性转换孔对阳离子选择透过的敏感性，进一步证明C亚基可能是通透性转换孔的组成成分。另外，对于所有具有相似氨基酸序列的C亚基，形成通透孔的能力是区分它们的重要特征[12]。当C-环与水接触时结构由α-折叠变为β-转角，促进离子通道的形成，所形成的离子通道直径约为2.3 nm；当发生通透转换作用时C-环的直径会增大，可以允许分子量达1.5 kDa的分子通过，这与线粒体内膜发生渗透转换作用的溶解物分子量基本一致[8]。Bernardi等指出，在C-环形成通道孔时，必须保持F1F0二聚体的结构完整性[13]。然而，干扰素-1(interferon 1，IF1)可以稳定F1F0二聚体的结构，保护线粒体形态和亚显微结构，使细胞免受ATP合酶被抑制剂抑制所引起的细胞死亡。但是，它却抑制了线粒体通透性转换的敏感性[14]，说明C-环必须和F1分离才能形成通透孔，发挥通透转换作用，推翻了Bernardi的说法。以上的研究结果均表明C-环参与线粒体内膜上通透性转换孔的形成，但其详细结构组成形式仍需进一步的实验证明。

2.2 C-环参与线粒体通透性转换孔的调控 在ATP合成过程中，C-环协同ATP合酶的转子部分发挥作用；当ATP合成被终止时， C-环可通过结构形变发挥通透转换作用。例如，当线粒体基质内钙离子浓度超出一定范围时，ATP合酶的F0与F1亚单位被迫分离，导致F1的γ等亚基脱离C-环，使后者成为一个通道孔，进而导致线粒体内膜发生通透转换作用，引起细胞凋亡[8]。研究表明，把纯化的C-环重建在脂质体上，发现钙离子作用位点可能位于F1的β亚基，而不是F0的C-环上[15]。进一步研究发现，β亚基可堵塞C-环形成的离子通道孔[16]，而超大B细胞淋巴瘤因子(B-cell lymphoma-extra large，Bcl-xl)、ATP和ADP等分子均可作用于β亚基从而抑制C-环通道孔的形成[9]。Jonas等指出调控C-环通道孔开闭的分子作用于与F0相联系的F1亚基、ANT或Cyp-D上，从而间接发挥调控作用[8]。最早研究认为，亲环蛋白D通过结合寡霉素敏感蛋白抑制ATP合酶活性，而环孢素可抑制亲环蛋白D的结合从而使酶活性恢复[7]。然而，将纯化的C亚基构建在脂质膜上发现，在不受亲环蛋白D的调控下，仍能发生通透转换作用[9]。其他研究表明，腺苷酸转移酶和磷酸转运体具有调节C-环形成渗透转换孔的能力[17]。但是，沉默或敲除磷酸转运体基因后，发现并不影响线粒体内膜的通透转换作用。

由此可见，这些已发现的调控MPTP的蛋白因子其具体作用机制仍存在不确定性，另外，或许还有一些参与调控的蛋白因子未被发现。因此，要彻底阐明通透性转换孔的调控机制，仍需要进行深入的研究。

3 小结

近年来，对线粒体通透性转换孔分子结构及调控机制的研究取得了巨大的进展，尤其是ATP合酶C亚基组成的C-环被证明是线粒体通透性转换孔的关键结构分子。然而，C-环如何发挥对通透性转换孔的调控作用，仍需要进一步的证实。而在ATP合酶催化ATP合成过程中，C-环如何参与及调控这个过程也需要进一步的阐明。若C-环作为通透性转换孔的结构分子参与线粒体通透转换的调控机制最终被阐明，那么ATP合酶就是一个控制着细胞生存与死亡的双功能复合蛋白。一方面催化ATP的合成，为细胞提供能量，维持正常生理代谢；另一方面在某些条件刺激下又可通过C-环的形变构建线粒体通透性转换孔促使细胞凋亡。对C-环在ATP合成中的作用和参与线粒体通透性转换孔形成与调控机制的深入认识，不仅有助于阐明线粒体通透性转换孔的实质结构和生理功能，而且有助于临床上基于调控线粒体通透性转换孔敏感性的药物开发。

总之，组成ATP合酶的C-环由于其结构、位置以及功能的特殊性，在细胞的生命活动中具有至关重要的作用，扮演着不可替代的角色，是一个“神奇”的蛋白质。