OPA1与细胞色素C释放的关系及其在细胞凋亡中的作用

1、OPA1与细胞色素C释放的关系及其在细胞凋亡中的作用         【关键词】  OPA1；细胞色素C；细胞凋亡细胞凋亡(apoptosis)是细胞内外各种因素触发细胞内预存的死亡程序而导致细胞死亡的过程。细胞表现出连续的不伴有炎症反应的变化，最终细胞自主有序的死亡。细胞凋亡被认为是精确的基因调控执行的结果，是生物体更新正常细胞和清除异常细胞的重要手段1，对维持生物体正常发育和行使功能有重要意义。线粒体在细胞凋亡中的核心作用已经得到广泛认可，在凋亡信号的刺激下，线粒体膜结构发生变化，将膜间隙(Inter

2、memberance Space，IMS)多种可溶性蛋白质释放入细胞浆，其中包括细胞色素C、凋亡诱导因子(Apoptosisinducing Factor，AIF)和caspase酶原等2，而细胞色素C的释放是凋亡发生的关键事件，也是线粒体参与凋亡的主要方式。参与细胞色素C释放调控的因素有很多种，目前认为Bcl2家族蛋白与细胞色素C释放直接相关。该家族的BAX、BAK蛋白能与该家族另一类被称为“唯BH3域蛋白”的蛋白质形成跨线粒体外膜通道，释放细胞色素C3。另一类与细胞色素C释放有重要关系的蛋白被称为“线粒体塑形蛋白”家族，该家族蛋白以调节线粒体的融合分裂的方式参与细胞色素C释放的调控。OPA

3、1是该家族的重要成员，位于线粒体内膜及膜间隙，介导线粒体融合和内膜变化，是控制细胞色素C释放的重要环节4，是目前凋亡研究中引起广泛关注的重要分子。1  OPA1的分子基础OPA1是核基因编码的蛋白质，其基因在染色体上的位置是3q28q29，它的突变可以引起常染色体显性遗传病视神经萎缩。OPA1的酵母同源物是Mgm1。OPA1基因序列长度40 kb，拥有28个外显子，编码与动力相关GTP酶同源的含960个氨基酸残基的蛋白质5。图1  OPA1分子结构略OPA1分子结构如图1所示：包含1个GTP酶结构域(GTPase)，2个疏水重复序列(HR)和1个线粒体定位序列(MTS)。O

4、PA1蛋白分子定位于线粒体IMS及内膜，通过N端120个氨基酸残基的MTS域结合到线粒体内膜，分子的大部分结构在嵴内空间里，Mgm1的分布与OPA1一致。一般情况下，OPA1与线粒体膜的结合相当紧密6，用1 M NaCl或者0.1 M Na2CO3,pH 11处理线粒体内膜都无法洗脱OPA1，而相同的处理能使细胞色素C从内膜上脱落。由于对hnmRNA选择性剪切方式不同，OPA1存在8种不同的剪切体形式，而且在不同的细胞中表达也不相同，这一特点给对OPA1的深入研究带来较大的困难。引起视神经萎缩病的变异大多发生在第8到第28外显子之间，蛋白质分子上主要表现为GTP酶结构域氨基酸残基变化7。不同剪

5、切体的线粒体运输过程是一致的8，OPA1在细胞浆内合成以后，在线粒体靶向蛋白的引导下进入IMS，之后移除掉基质靶向信号，成熟的OPA1分子锚定到线粒体内膜上。即使对于同一种剪切体来说，在斜切蛋白酶(rhomboid protease)作用下，OPA1和Mgm1也是以可融性蛋白和膜结合性蛋白两种方式存在，而且这两种不同存在方式的蛋白对OPA1和Mgm1发挥生理作用都是必需的8。PARL是一种进化上高度保守的哺乳动物细胞线粒体内膜蛋白酶，参与产生可融性的OPA1分子9。但其具体作用机制目前尚不清楚，可能是PARL直接以OPA1为底物剪切OPA1分子，也可能是PARL激活其他的蛋白酶对OPA1作用或

6、者与其他蛋白酶共同剪切OPA1。2  细胞色素C与细胞凋亡细胞色素C是呼吸链中的一个基本成分。细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，根据吸收光谱的不同，可分为细胞色素a、b、c三类。细胞色素c的铁卟啉是与血红素相同的铁原卟啉IX，卟啉环上的乙烯侧链与蛋白质部分的半胱氨酸残基相连接。细胞色素c在呼吸链上位于复合酶(泛醌细胞色素还原酶)和IV(细胞色素氧化酶)之间，负责传递电子10。正常情况下细胞色素C是一个相对分子质量为1.45×104的水溶性蛋白质，通过带负电荷的磷脂(主要是心磷脂)结合在线粒体内膜的表面11，并不紧密，易于分离。细胞色素C与线粒体内膜的结合分为

7、两种不同的形式12：通过静电作用的松弛型结合形式，即通过带的正电荷细胞色素C的赖氨酸残基和带负电荷的磷脂以正负离子结合形式结合；紧密型结合形式：通过疏水作用细胞色素C的部分插入线粒体内膜。图2  细胞色素C的合成过程略Wang X等13揭示了细胞色素C的合成过程(如图2)：首先由核基因表达为细胞质内的原细胞色素C蛋白，然后在N端引导蛋白的参与下，或者原细胞色素C蛋白自身折叠成能穿越线粒体外膜的拓扑结构进入IMS。在细胞色素C铁原卟啉裂解酶(cytochrome c heme lyase，CCHL)协助下与铁原卟啉结合，结构发生改变，从而失去了穿膜能力。Scorrano等14认为细胞色

8、素C在线粒体中的分布可以分为两个池：大约15%20%以自由态存在于IMS中，其余的大部分都以结合态存在于线粒体嵴中。大量证据表明15，16,在多种死亡模型中细胞色素C从线粒体释放至胞质是引发凋亡的关键步骤，其意义不只是线粒体呼吸活性的丧失,更重要的是细胞色素C释放后可引发caspase活化级联,导致细胞凋亡。3  OPA1与细胞色素C释放及细胞凋亡OPA1有两个非常重要的生理功能，它属于“线粒体塑形蛋白”家族，是唯一结合在线粒体内膜的介导线粒体融合的蛋白质；它又在抗细胞凋亡中有着重要作用。线粒体是动态的细胞器，在细胞的不同生命阶段中以及外界环境刺激下，它的数量和形态是不断变化的。线粒

9、体可以有椭圆形、长管状、网络状，不同形状的线粒体通过频繁的融合与分裂，保持在各形态之间的动态平衡。近年来的研究显示，线粒体形态的动态变化与细胞凋亡可能是密切相关的17，凋亡早期线粒体网络往往发生明显的片断化，线粒体形态的调控分子参与了细胞凋亡，调控凋亡的分子也会明显改变线粒体的形态。介导线粒体融合分裂的诸多蛋白质被称为“线粒体塑形蛋白”，OPA1是其中的重要成员，在哺乳动物细胞内，它与线粒体融合蛋白1和2(mitofusin1/2，Mfn1/2)分子一起控制线粒体融合，通过OPA1siRNA抑制OPA1表达可以引起线粒体的片断化3，并能观察到细胞色素C释放和细胞凋亡。过表达OPA1能诱导线粒体

10、形态发生网络化，进一步的研究证实18，OPA1是通过与Mfn1共同作用来促进线粒体融合的。         图3  略BID通过对OPA1寡聚体作用，诱导的线粒体嵴重构；OM和IM分别表示线粒体外膜和内膜OPA1的抗凋亡作用是通过稳定线粒体嵴的形态进而控制细胞色素C的释放实现的19，该作用并不影响BCL2家族促凋亡蛋白的活化和转位。如图3所示，OPA1的可融性形态和膜结合形态能形成寡聚体，以类似“钉书钉”的形式使线粒体嵴膜连接，从而线粒体嵴保持非常窄的结构；cBID能破坏该寡聚体的稳定性，线粒体嵴发生重构

11、，继而出现细胞色素C的释放和细胞凋亡。PARL因为负责生产可融性OPA19，所以被认为与OPA1处在同一抗凋亡途径上，位于OPA1的上游。OPA1介导线粒体融合作用和它的抗凋亡作用是否有直接的关系目前还没有明确的结论。因为线粒体动力学与细胞凋亡的关系本身就非常复杂，线粒体断裂可能介导凋亡，可能与凋亡无关，也可以抑制凋亡，这可能与不同的凋亡信号传导途径有关17。综上所述，OPA1分子因为在线粒体形态控制和调节细胞色素C释放中的重要作用，可能在细胞凋亡发生中扮演着重要的角色，加之OPA1基因突变能引起常染色体显性遗传病视神经萎缩，使OPA1成为目前一个研究热点。OPA1分子存在多种剪切体形式是影响

12、其深入研究的主要障碍，当前它的各种生理作用正在被一步步的揭示，但具体的作用机制和作用的分子基础则还有待于更加深入的研究。【参考文献】  1 Miner LJ, Marx J. ApoptosisJ. Science,1998,281:13011304.2 Wang X. The expanding role of mitochondria in apoptosis J. Genes Dev,2001,15:29222933.3 Green DR, Kroemer G. The pathophysiology of mitochondria cell deathJ.Science,20

13、04,305:626629.4 Olichon A, Baricault L, Gas N, et al. Loss of OPA1 perturbates the mitochondrial inner membrane structure and integrity, leading to cytochrome c release and apoptosisJ. J Biol Chem, 2003,278:77437746.5 Alexander C, Votruba M, Pesch UE, et al. OPA1, encoding a dynaminrelated GTPase, i

14、s mutated in autosomal dominant optic atrophy linked to chromosome 3q28J.Nat Genet. 2000,26:211215.6 Olichon A, Emorine LJ, Descoins E, et al. The human dynaminrelated protein OPA1 is anchored to the mitochondrial inner membrane facing the intermembrane spaceJ.FEBS,2002,523:171176.7 Delettre C, Grif

15、foin JM, Kaplan J, et al. Mutation spectrum and splicing variants in the OPA1 geneJ. Hum Genet. 2001,109:584591.8 Ishihara N, Fujita Y, Oka T, et al. Regulation of mitochondrial morphology through proteolytic cleavage of OPA1J. EMBO J. 2006, 25:29662977.9 Cipolat S, Rudka T, Hartmann D, et al. Mitoc

16、hondrial rhomboid PARL regulates cytochrome c release during apoptosis via OPA1dependent cristae remodelingJ.Cell, 2006, 126:163175.10 王学敏.生物氧化A.见:周爱儒,主编.生物化学M.第6版.北京:人民卫生出版社,2004：141159.11 Petrosillo G，Ruggiero FM ，Paradies GRole of reactive oxygen species and cardiolipin in the release of cytochro

17、me c from mitochondriaJFASEB J，2003，17：2202220812 Orrenius S, Zhivotosky B, Robertson JD, et alCytochrome c release from mitochondria proceeds by a twostep processJPNAS，2002，99：12591263.13 Wang X, Doumont ME, Sherman F.Sequence requirements for mitochmondria import of yeast cytochrome CJ.J Biol Chem

18、，1996，271:65946604.14 Scorrano L, Ashiya M, Buttle K, et al. A distinct pathway remodels mitochondrial cristae and mobilizes cytochrome c during apoptosisJ. Dev Cell, 2002,2:5567.15 Enari M , Sakahira H , Yokoyama H, et al. A caspase2 activated DNase that degrades DNA during apoptosis , and its inhibitor ICADJ. Nature,1998,391:4350.16 Liu X , Kim CN , Yang J，et al. Induction of apoptotic program in cellfree extracts :Requirement for dATP and cytochrome CJ. Cell ,1996,86:147157.17 Youle RJ, Karbowski M. Mitochondrial fission in apoptosisJ. Nat Rev Mol Cell B