Mfn2 对心力衰竭影响的研究进展

孙娜 黄佳滨

佳木斯大学附属第一医院老年病科，黑龙江佳木斯 154000

心力衰竭（heart failure，HF）是心血管疾病的终末期，发病率和死亡率均较高。现今对于心力衰竭的治疗方案较多，临床不断出现中西药联合应用，但预后仍较差。在心力衰竭的治疗中，线粒体功能网络结构中的各个阶段出现异常，有可能成为诊断和治疗心衰的新方向，成为目前研究人员关注和探讨的方向。

1 线粒体概述

线粒体是细胞内一个功能多样化的细胞器。线粒体中有两层膜：线粒体外膜（outer mitochondrial membrane，OMM）和线粒体内膜（inner mitochondrial membrane，IMM），两个膜之间的空间称为膜间空间。线粒体作为能量发电站对于心肌细胞的活动起着重要的调控作用，当线粒体任一结构出现异常时心脏泵血等功能也将因此发生障碍。线粒体融合在线粒体中起着重要作用，参与多种细胞功能，如自由基产生、钙稳态、细胞凋亡和坏死。且有研究表明，促进线粒体融合可以改善心肌肥厚并降低其所致心力衰竭的发生率，而Mfn2 是线粒体融合发挥功能的重要蛋白，因此进一步了解Mfn2 的结构和作用非常必要。

2 Mfn2 的结构和作用

2.1 Mfn2 结构

哺乳动物线粒体融合蛋白已被鉴定为果蝇模糊洋葱蛋白（Fzo）的人类同源物。Mfn2 是一种大部分存在于线粒体而少部分存在内质网中的蛋白。Mfn2（757aa）是位于线粒体外膜上的跨膜GTP 酶，与相同的相关功能域具63%的同源性。保守结构域由氨基末端GTP 结合结构域和卷曲螺旋结构域（七肽重复HR1）和一个具有二分跨膜结构域和第二个卷曲螺旋结构域（七肽重复HR2）的羧基末端。GTPase 和卷曲螺旋结构域均暴露于胞质溶胶。此外，Mfn2 拥有一个在Mfn1 中不存在的N 端Ras结合域，表明Mfn2 的特定作用。例如，Mfn2 可以影响内质网（endoplasmic reticulum，ER）和线粒体之间的相互作用和ER 应激反应，与Mfn1 不同。Mfn2 的异常表达与多种疾病相关，包括阿尔茨海默病、帕金森病、肥胖症、糖尿病/胰岛素抵抗和心肌病。细胞内钙离子代谢的调节方面也能看到Mfn2的身影，所以认为其在肌细胞兴奋收缩偶联中也发挥重要作用。

2.2 Mfn2 与线粒体融合

线粒体融合可以特异性地动态修复线粒体的可逆损伤部分，形成有功能性的细长细胞器。在此过程中，mtDNA 混合，这被认为是有益的。OMM 的融合由mitofusin1（Mfn1）和Mfn2 介导，而IMM的融合由视神经萎缩1（opticatrophy1，Opa1）介导。简而言之，两个线粒体被Mfn1 和Mfn2 束缚，导致OMM 融合。然后，在Opa1 的介导下发生IMM 的融合。大量研究表明线粒体融合有利于氧化磷酸化，线粒体融合可以防止线粒体DNA 丢失，保护线粒体蛋白质合成，从而维持线粒体的正常功能。此外，线粒体融合事件可以稀释受损的线粒体蛋白质和DNA，通过“功能互补”的过程修复受损的线粒体。线粒体融合机制受损可加速线粒体裂变，进而产生线粒体断裂，导致心肌细胞氧化磷酸化丧失和凋亡。在包括心力衰竭和视神经病变在内的许多情况下，裂变和融合可能会受损，包括Charcot Marie 牙病和常染色体显性遗传性视神经萎缩（autosomal dominant optic atrophy，ADOA）。缺血性心力衰竭中关键融合蛋白的表达减少和小的、碎片化的线粒体的积累与裂变和融合受损是一致的，故心力衰竭与线粒体融合关系密切。

2.3 Mfn2 与细胞凋亡

细胞凋亡过程中线粒体的作用功不可没。在凋亡刺激下，BCL2 关联X 蛋白（recombinant Bcl2 associated X protein，Bax）和BAK 被激活并进一步形成高阶寡聚体以增加线粒体外膜通透性（mitochondrial membrane permeability，MOMP），与线粒体通透性转换孔（mitochondrial permeablity transition pore，mPTP）的开放无关。Bax 是Bcl-2家族的重要促凋亡成员，在细胞凋亡的初始阶段与线粒体断裂部位的Mfn2 相关联；Mfn2 诱导的心肌细胞凋亡与线粒体中细胞色素c 释放到胞质溶胶的增加以及caspase-9 和caspase-8 的激活有关。Mfn2的过表达促进BAX 从细胞质易位到线粒体膜，从而诱导许多肿瘤细胞凋亡，包括肝细胞癌细胞、乳腺癌细胞、膀胱癌细胞和宫颈癌细胞，这些结果表明了Mfn2 的抗肿瘤功效。升高的Mfn2 表达可以显著促进培养的心肌细胞的凋亡，而siRNA 介导的Mfn2 沉默保护细胞免受氧化应激诱导的细胞凋亡，表明Mfn-2 上调对于氧化应激介导的肌细胞凋亡是必要和充分的。

不同的是，另外有报道表明Mfn2 有抗细胞凋亡的作用。相应于氧化应激和其他凋亡刺激，Mfn2 泛素化和蛋白酶体降解的增加导致线粒体断裂并诱导凋亡和细胞死亡。与该结果一致，Mfn2 过表达可以恢复线粒体断裂并防止神经元凋亡。因此，BCL-XL复合的Mfn2 保持抗凋亡功能。最近实验表明，减弱AngⅡ诱导的H9c2 心肌细胞能量代谢，调控Mfn2 的表达，可有效抑制心肌细胞凋亡，从而改善心功能。

简而言之，Mfn2 在细胞凋亡中的作用可能取决于环境（细胞类型、不同的凋亡刺激物及不同分子的相互作用）。

2.4 Mfn2 与线粒体自噬

为了维持健康的线粒体网络和功能以应对各种压力，需要在细胞中激活线粒体质量控制机制，称为线粒体自噬。自噬是一种重要的细胞机制，可控制受损或功能失调的细胞成分的清除。在此过程中，自噬体吞噬线粒体，转移到溶酶体，随后与发生降解的溶酶体融合。研究表明，Mfn2 与自噬体形成和自噬体-溶酶体融合的增加有关，故表明Mfn2是线粒体自噬的介质。线粒体自噬的分子机制PINK1 介导的Mfn2 磷酸化促进Mfn2-parkin 相互作用，从而促进线粒体蛋白泛素化和通过接头蛋白LC3募集自噬体。同样，心脏和大脑等特定组织中的Mfn2-KO 直接损害线粒体自噬并导致受损线粒体的积累。一方面，Mfn2 还通过与心肌细胞和多巴胺神经元中的PINK1、Parkin 和Bnip3 相互作用来调节线粒体自噬。另一方面，Mfn2 通过改变线粒体膜电位来调节与心力衰竭相关的线粒体自噬；随后对心力衰竭模型的实验表明，线粒体自噬不足会加重心脏损伤。此外，泛素化蛋白通过特定的自噬相关受体[如optineurin（optin）、NBR1 和p62]与LC3-II结合，形成自噬体。自噬体的形成消除了线粒体融合事件，导致线粒体断裂。线粒体蛋白的募集促进了受损线粒体与LC3 阳性吞噬体的相互作用，从而在溶酶体中降解，这些过程的任何损害均可能导致线粒体功能障碍和细胞死亡。

2.5 MFN2 与线粒体呼吸

细胞呼吸发生在线粒体中，将营养物质的生化能量转化为细胞提供能量的三磷酸腺苷（ATP），然后释放废物。AMPK 是一种能量传感器，研究结果首次揭示了AMPK 的一部分分布在线粒体相关内质网膜（mitochondria associatedendoplasmic reticulum，MAM）中，并在正常条件下与MFN2 相互作用。在能量应激条件下，大量AMPK 被转移到断裂的线粒体，且进一步研究发现，沉默AMPK 干扰了MAM的形成，以响应能量剥夺条件，故而保持线粒体融合的正常工作和线粒体活动与生物氧化磷酸化之间存在密切联系，耗氧量的增加亦或减少与线粒体融合之间存在负相关；与此同时，Mfn2 减少时会引起三羧酸循环代谢出现明显异常。然而，来自肥胖人类和动物模型的骨骼肌的Mfn2 表达明显减少。Mfn2 表达的稳定敲低还减少了成纤维细胞中的葡萄糖氧化和耗氧量，携带Mfn2 无效突变的成纤维细胞表现出线粒体膜电位丧失，内源性呼吸减少，且在ATP 耗尽后无法增加呼吸，表明Mfn2 活性低的细胞依赖无氧糖酵解产生能量。因此，Mfn2 功能的丧失导致线粒体代谢改变，其特征是线粒体膜电位和细胞耗氧量降低，以及底物氧化降低。据报道，丢失MFN2 降低了线粒体的基本耗氧率和储备呼吸能力，增加了质子泄漏，并降低了ATP 的生成率。与以上观察结果一致，敲除Mfn1 和Mfn2 的MEF 降低了线粒体膜电位，减少了呼吸，并减少了最大呼吸；另一方面，增加的Mfn2 表达导致更大的呼吸复合体活性、更多的糖酵解和增强的线粒体生物合成Mfn2 表达在高能量需求的环境中增加，如运动，及作为对凋亡刺激的反应。试验表明，在没有MFN2的情况下，呼吸链功能的缺陷可以用辅酶Q 的缺乏进行解释；MFN2 的缺失与线粒体网络的碎片有关，但这种改变可能不是辅酶Q 的原因缺陷是因为Mfn2敲除MEFS 中线粒体网络形态的正常化不会使辅酶Q 水平正常化，因此，Mfn2 对线粒体呼吸链和能量代谢方面具有显著影响。

2.6 Mfn2 与心肌肥厚

心肌肥厚发生在许多疾病状态，以应对心脏负荷的增加，且容易发展为心室扩张、收缩功能障碍和心力衰竭。大多数研究表明，心肌梗死和心衰与线粒体过度分裂和线粒体融合不足有关。与健康心脏相比，心脏衰竭大鼠的线粒体更小、更碎片化。所以，线粒体功能障碍和代谢异常引起的能量不足是心肌肥厚和心力衰竭的关键因素。最近的研究表明，MAM 标志着自噬体形成的起始位点和线粒体分裂的位置。除了作为一种必需的线粒体融合蛋白，Mfn2 也是一种MAM 蛋白，负责连接内质网和线粒体。使用心脏动力蛋白相关蛋白1（dynaminrelated protein 1，Drp1）基因敲除小鼠和心脏Mfn双基因敲除小鼠，研究表明，在成年心脏中会抑制线粒体裂变，但不会抑制融合，从而增加心肌纤维化，引发心肌细胞坏死。过去已经在几种疾病模型中研究了心脏肥大中Mfn2 表达的变化—从自发性高血压大鼠到由横向主动脉缩窄（thoracic aorta constriction，TAC）引起的压力超负荷肥大。随后根据使用具有不同条件心脏消融融合蛋白的小鼠来研究Mfn1 和Mfn2 的功能，表明两种Mfn 亚型的条件性心脏消融同时对线粒体形态、呼吸和收缩功能产生有害影响，导致心力衰竭死亡。Mfn2通过调节各种生物过程（包括线粒体融合、线粒体自噬和细胞凋亡）在心脏肥大和心力衰竭的发展中发挥重要的调节作用。体内研究表明，心肌细胞中Mfn2 的特异性缺失会损害线粒体融合和适度的心肌肥厚。同样，体外研究观察到，在AngII 诱导的心肌细胞肥大中，Mfn2 降低，并伴有线粒体形态从细丝变为短而细的变化。Mfn2 在AngII 诱导的心肌细胞拯救线粒体融合上过表达，导致两个短而小的线粒体形成大线粒体并减弱肌细胞肥大。Mfn2消融缺陷Parkin 信号传导，引发异常线粒体自噬。此外，自噬体-溶酶体融合在Mfn2 缺陷小鼠中受损，导致自噬体积累和进行性心力衰竭；Mfn2 通过将RAB7 吸引并结合到自噬体膜上来介导心脏中的自噬体-溶酶体融合。在高血压大鼠模型中，给予甘露醇可促进肠内胰高血糖素样肽-1（glucagon-like peptide 1，GLP-1）的产生，增强心脏线粒体融合，改善心脏功能。在其他对暴露于去氧肾上腺素诱导心肌细胞肥大的新生大鼠心肌细胞和心脏肥大体内模型的研究中，还发现Mfn2 mRNA 水平降低，表达Mfn2 反义序列的腺病毒足以在培养的心肌细胞中促进线粒体分裂并引起肥大反应。研究证实，在Mfn2 敲除小鼠中出现中度心肌肥大和轻度功能恶化。最近的一项研究表明，microRNA-20b 通过下调Mfn2 和促进细胞质Ca超载、削弱线粒体缓冲能力来加剧心肌肥厚。

综上，以上结果表明Mfn2 是心肌肥厚和心力衰竭的必要成分。

3 总结和展望

线粒体融合是正常线粒体功能中必不可少的一部分，是维持正常生理功能的基础条件。据报道，在包括缺血性心力衰竭在内的许多疾病中，参与裂变和融合的蛋白质发生了变化，使其成为可能的治疗靶点。一些研究表明，Mfn2 在心脏病（包括心力衰竭和心肌缺血）中的过表达可以减轻对各种压力的心脏肥大和功能障碍。由于Mfn2 参与各种生物反应，调节机制复杂，因此，需要进一步研究探讨Mfn2在心血管疾病中的详细分子机制，为患者提供新的治疗靶点。