运动与线粒体动力学研究综述

Review on Exercise and Mitochondrial Dynamics

摘要: 线粒体动力学与线粒体质量控制关系紧密，而运动对线粒体动力学的影响直接影响到线粒体的质量控制。本文就线粒体动力学的调控机制以及与运动的关系做一综述。

Abstract: Mitochondrial dynamics is closely related to mitochondrial quality control. The effect of exercise on mitochondrial dynamics directly influences mitochondrial quality control. This paper reviewed the mechanism of mitochondrial dynamics and its relationship with exercise.

1. 引言

线粒体作为真核细胞内提供能量的“动力工厂”，供给了机体所需的90%以上的能量。线粒体不仅为机体提供能量，而且在细胞代谢中处于中心位置 [1] 。线粒体是一个高度动态化的细胞器，它会随着细胞的不同生理状态而发生不同的改变 [2] ，而线粒体动态的维持与线粒体动力学(包括线粒体融合、分裂和自噬)改变密切相关。线粒体动力学的改变不仅与机体正常的生长发育有密切关系，而且还与糖尿病、肿瘤、肝病和心脑血管疾病等多种疾病密切相关 [3] 。线粒体作为对运动刺激高度敏感的细胞器，运动常常改变线粒体的质量，进而促进线粒体的功能，从而改善细胞的功能，维护机体的健康。线粒体质量的维持与线粒体动力学密切相关。近些年，许多研究均证实运动与线粒体动力学改变有密切关系，因此，本文将在这一方面做一综述。

2. 线粒体融合/分裂

2.1. 线粒体融合/分裂的机制

线粒体融合/分裂受动力蛋白家族GTPase的调控 [4] [5] ，线粒体融合与线粒体外膜和内膜蛋白有关，外膜融合依赖线粒体融合蛋白Mfn1和Mfn2的调控 [6] [7] ，线粒体融合/分裂与健康密切相关 [8] [9] ，这两个线粒体融合蛋白的重要性通过基因敲除的小鼠得到验证，当单独敲除Mfn1或Mfn2S是，小鼠在妊娠中期会死亡，而两个基因同时敲除死亡时间更早 [6] 。在心肌特异敲除Mfn1/Mfn2会导致胚胎死亡，而在部分敲除成年鼠的心脏中，会导致明显的线粒体功能异常和加快心肌病死亡的速度 [10] ，然而，Papanicolau等最近的研究中发现，心脏特异敲除Mfn1和Mfn2的小鼠在出生时表现正常，但很快在心肌细胞中堆积大量的不正常线粒体，这些小鼠很快形成了心肌病并且出生后不能活过16天 [11] 。尽管不清楚为什么在这两个研究中特异敲除心脏融合蛋白基因产生不同的表现，但这两个实验均说明Mfn1/2在维持线粒体正常形态和功能的重要性。线粒体融合还可以阻止线粒体自噬，从而保护细胞中线粒体的过度降解 [12] 。线粒体融合还能通过稀释线粒体受损蛋白或使正常的线粒体mtDNA进入有缺陷的线粒体从而起到保护作用 [4] ，然而，这种保护存在着一定的界限，Bhandari等发现：当在果蝇中阻止Parkin介导的线粒体自噬后，会导致果蝇的异常线粒体与正常线粒体的再融合，从而导致更多的线粒体异常，引起心肌病 [13] 。

线粒体内膜融合依赖Opa1蛋白 [4] ，最近发现，在病理状态下，小鼠心脏Opa1在926和931处的赖氨酸被乙酰化，进而降低了其功能。Opa1缺失是胚胎致死性的，在杂合子小鼠中，出生12个月后，心肌细胞中mtDNA数量减少，同时导致心脏和心肌中线粒体功能异常。

线粒体分裂由细胞质中的Drp1蛋白介导，它在线粒体外面形成一个环形结构，并进一步收缩，将线粒体分成两个线粒体 [2] [14] 。线粒体分裂在线粒体质量控制中发挥着重要作用，通过一种未知的机制将功能异常的蛋白质不对称地分离到线粒体的某一个区域，线粒体的分裂将这两个区域分开，形成两个新的线粒体，其中一个具有较高膜电位的线粒体将更有可能进行下一步的融合 [7] [15] ，在小鼠中研究发现，当Drp1发生突变后，线粒体自噬降低，氧化型的线粒体蛋白堆积，线粒体呼吸减弱，线粒体表现出高度融合 [15] 。在体内，抑制缺血再灌注大鼠心脏Drp1能改善心脏功能，减小心肌梗死的面积 [16] 。

2.2. 运动与线粒体融合/分裂

越来越多的研究表明，运动可以通过有效地提高线粒体的质量 [17] ，因此运动引起的线粒体融合分裂近些年受到众多学者的关注 [18] 。运动可以改变线粒体融合/分裂过程 [19] ，七个间歇性的高强度训练会逐渐增加Mfn1和Fis1蛋白的表达 [20] ，Ding等 [21] 的研究进一步表明，一次跑台运动后24小时，Mfn1和Mfn2 mRNA表达显著升高，但蛋白表达未见显著性差异。Cartoniet等 [22] 研究表明，在人类骨骼肌中一次骑自行车运动后24小时，Mfn1和Mfn2 mRNA表达也显著升高，而其表达通过PGC-1α的调控。但刘慧君 [23] 等研究发现，在120分钟的急性运动过程中，运动60分钟组和120分钟组小鼠骨骼肌Mfn2表达均显著降低，线粒体融合蛋白Mfn2表达显著降低，而分裂蛋白Drp1在这两个时间点表达显著升高。然而，我们研究发现，在经过12周的耐力训练后，大鼠肝脏融合蛋白Mfn1、Mfn2和Opa1的mRNA表大显著升高，而分裂蛋白Drp1表达显著降低 [24] ；Goncalves等 [25] 研究也发现耐力训练使肝脏线粒体融合能力增强；Greene等 [26] 也发现在肥胖小鼠的骨骼肌中，运动后Mfn1和Opa1 mRNA表达显著升高。出现上述差异可能与运动方式、运动强度以及受试对象不同等原因造成的。

关于运动引起线粒体融合分裂的机理目前尚不完全清楚。Garnier [27] 等研究发现，长期有氧耐力训练后，骨骼肌线粒体氧化磷酸化能力增强，线粒体融合蛋白Mfn2和分裂蛋白Drp1表达显著升高，而且PGC-1α分别与Mfn1和Drp1呈显著正相关，从而认PGC-1α在线粒体融合中起到至关重要的作用。另外，Cartoni等 [22] 研究发现，在男性运动员经过一次50分钟的中等强度运动后24小时，股外侧肌肉线粒体融合蛋白Mfn1和Mfn2表达同时升高，并且其表达的升高由PGC-1α和雌激素相关受体α (ERRα)共同激活。

3. 线粒体自噬

3.1. 线粒体自噬的机制

线粒体自噬是线粒体质量控制的重要步骤之一，在正常情况下，异常线粒体数量较少，线粒体处于较低水平的自噬状态，但当受到应激(如饥饿)情况下线粒体自噬能力会显著增强 [28] 。线粒体自噬作为细胞内调控线粒体质量控制的重要途径，在维持细胞功能中发挥着重要的作用。线粒体自噬受多种途径的调控。

PINK1-Parkin途径是其中重要的一个途径。在正常的细胞中，PINK1通过TOM复合体进入线粒体，然后被MPP和PARL降解，然而，对于失去线粒体膜电位的线粒体，PINK1不再进入线粒体，而是直接堆积在OMM上 [29] 。当PINK1堆积在OMM上后，PINK1募集Parkin [30] ，一旦募集成功，Parkin将使OMM上的VDAC1、Mfn1/2和己糖激酶I等泛素化 [31] 。然而，目前关于PINK1如何募集Parkin到线粒体上所知甚少。有学者认为，Parkin直接与PINK1在OMM上结合 [32] ，另外有研究表明，PINK1和Parkin有共同的底物，例如，PINK1介导Miro磷酸化，引起Parkin介导的泛素化和线粒体的降解 [31] 。最近，Chen等报道，Mfn2与Parkin作用，Mfn2的磷酸化是Parkin聚合到线粒体的先决条件 [33] ，但还需进一步明确PINK1是如何募集Parkin到线粒体上的。

另外，一些研究发现：线粒体外膜上存在着一些蛋白质或脂质类物质，而这些成分能够直接与线粒体作用，导致线粒体自噬的发生，如线粒体心磷脂和FUNDC1 [34] 直接与自噬泡上的LC3结合，从而形成线粒体自噬。相似的，线粒体外膜上的Nix/BNIP3L和BNIP3可以直接与自噬泡上的LC3结合，产生自噬 [35] 。Nix作为线粒体自噬的受体发挥着两个方面的作用：一ROS引起自噬，二促使Parkin移位。类似的，在Parkin缺失的心肌细胞中，BNIP3介导的自噬能力降低 [36] 。然而，Nix和BNIP3能够直接与自噬泡上的LC3结合，现在还不清楚Parkin为什么是Nix和BNIP3介导的线粒体自噬所必须的。

在线粒体自噬调控的PINK1/Parkin途径和Nix/BINP3途径中，在一般情况下，Nix/BNIP3途径乎发挥着维持线粒体健康的作用，而PINKI/Parkin途径似乎在应激条件下发挥作用更大。

线粒体自噬可能还与HIF-1α有关，在低氧环境下，PGAM5 (phosphoglycerate mutase family member)使FUNDC1去磷酸化，从而使FUNDC1与LC3结合更加紧密，诱导线粒体自噬发生 [28] [34] [37] [38] 。上调HIF-1α蛋白表达会显著提高线粒体自噬能力 [39] ，而BNIP3表达依赖HIF-1α的表达 [40] 。另外，去乙酰化酶SIRT1 (哺乳类与酵母蛋白沉默信息调节子2的同源基因)在线粒体自噬中也可能发挥着重要作用，当基因敲除SIRT1后会引起线粒体自噬能力降低 [41] ，SIRT1活性升高引起线粒体自噬能力增强 [42] 。SIRT1使FOXO3 (The forkhead box, class O3)去乙酰化 [43] ，使其与BNIP3启动子结合，上调BNIP3表达，从而加强线粒体自噬 [44] 。

3.2. 运动与线粒体自噬

运动与线粒体自噬方面的研究目前研究较少。2012年1月Beth Levine (自噬研究的领跑人)在Naure上发表文章首次证实运动可以改变线粒体自噬 [45] ，而SCIENCE少有地在同一时间对此进行了评述 [46] 。我们的研究表明，肝脏单纯的运动并不能改变线粒体自噬，但在急性酒精性肝损伤中，预运动训练却能降低因急性酒精性肝损伤引起的线粒体自噬 [47] 。另有研究表明，耐力训练可以提高衰老小鼠骨骼肌的线粒体自是能力 [48] 。薄海等研究发现，低氧联合运动可以提高骨骼肌线粒体自是能力 [49] ，催迪等 [50] 也研究发现耐力训练使骨骼肌线粒体自噬蛋白表达增加。

运动引起线粒体自噬改变的机制目前尚不完全清楚。我们及薄海等研究表明，运动引起线粒体自噬改变可能与HIF-1α有关 [47] [49] ，而催迪等 [50] 研究认为可能与PNIK1/Parkin通路有关。

4. 展望

线粒体质量控制对维持细胞的健康至关重要，而线粒体质量的控制与线粒体动力学密切相关。尽管许多的研究均证实了线粒体动力学与多种疾病的发病有关，但其研究结果尚不一致。运动对线粒体动力学的影响资料更为缺乏，其引起的变化规律也存在着矛盾之处，特别是运动引起线粒体动力学改变的机理更为模糊，因此进一步探讨运动改变线粒体动力学的规律及其机制对提高运动对健康的认识意义重大。