Nature争鸣 | 到底是什么关键因子控制线粒体分裂？

撰文 | 淼淼

责编 | 兮

线粒体是由双层膜包裹的细胞器，是真核细胞内的“动力工厂”。多年来，人们对于线粒体起源、线粒体形态以及线粒体功能的研究从未止步。在20世纪后半叶，先后有5位科学家由于在线粒体领域的重大发现而获得诺贝尔奖。研究人员发现线粒体主要参与机体的能量转换，调控活性氧自由基的形成以及调控细胞凋亡，此外，线粒体还与生物体的发育、代谢、衰老肿瘤发生等有一定的关系【1】。

线粒体作为一种复杂的细胞器，在细胞中并不是一成不变的，线粒体通过发生分裂（fission）和融合（fusion）改变线粒体的形态、结构以及数量，从而满足细胞整体的生命活动。线粒体发生裂变（fission）和融合（fusion）是处于一种动态平衡的过程，一旦这个过程被打破，会对机体的生命活动产生重要的影响【2】。关于线粒体裂变（fission）过程的发生机制众说纷纭。

早在1998年，来自于犹他大学的Janet M. Shaw教授及其团队在Journal of Cell Biology发表文章，以酵母作为模式生物研究发现高度保守的Dnm1p蛋白（GTPase dynamin-related protein 1）是酵母发生内吞过程中膜分离所必须的；Dnm1p对维持线粒体的形态至关重要【3】。

在2008年，来自Dulbecco Telethon研究所的L. Scorrano教授及其团队在PNAS上发表文章，揭示了Drp1 (GTPase dynamin-related protein 1, 酵母中的Dnm1p蛋白) 从胞质定位到线粒体这个过程对于功能障碍诱发的线粒体碎片化的影响【4】。在细胞分化、凋亡等过程中，线粒体形态的变化受到线粒体融合和裂变动态平衡过程的严格调控。当线粒体融合（fusion）过程受损裂变（fission）过程活跃，会导致线粒体过度破碎化。研究人员发现Drp1从胞质定位到线粒体这个过程呈现出钙调神经磷酸酶依赖性；当线粒体去极化或者是胞质中的Ca2+浓度升高时，与Drp1相互作用的钙调神经磷酸酶会被激活，使得Drp1发生钙调磷酸酶依赖去磷酸化，Drp1会定位到线粒体，调控线粒体的裂变（fission）。

随着近年来研究的深入，研究人员发现线粒体分裂分为三个步骤：1）Drp1蛋白从胞质转移到线粒体；2）内质网和肌动蛋白相互协作驱动Drp1蛋白收缩；3）Drp1蛋白进一步收缩直至线粒体裂变（fission）的发生。

然而，在2016年，科罗拉多大学博尔德分校Gia K. Voeltz和Cynthia Page教授及其团队在Nature上发表文章，为大家揭示了关于线粒体裂变（fission）与之前研究不同的观点。他们认为非神经元特异性的发动蛋白Dyn2（dynamin-1， DNM2）是线粒体裂变（fission）过程中的关键作用因子；结合活细胞和电镜等技术手段发现，Dyn2和Drp1相互协同作用参与调控线粒体分裂（fission）过程；Dyn2在线粒体裂变（fission）的最后一步中具有内在的膜裂变特性【5】。

2019年6月20日，来自哥廷根大学的Ira Milosevic和 Nuno raimundo团队根据Gia K. Voeltz和Cynthia Page团队在Nature上发表文章（MATTERS ARISING）Mitochondrial fission requires DRP1 but not dynamins，提出的线粒体裂变（fission）的新观点进行更加深入的研究。研究发现：在线粒体发生分裂（fission）过程中，Drp1的功能是必需的，而DNM1、DNM1和DNM3是可有可无的。

在该研究中，比较野生型以及DNM1-DNM3三敲除的成纤维细胞发现：任意选取的区域内两种细胞线粒体的数目相似；线粒体的形态以及大小没有明显区别，不影响线粒体裂变（fission）（图一）。同时，在DNM1-DNM3三敲除的成纤维细胞中，研究人员发现Drp1或者其他的参与线粒体融合（fusion）的因子包括mitofusin 1（MFN1），mitofusin 2（MFN2），或线粒体外膜蛋白电压依赖性阴离子通道（VDAC）的蛋白水平都与野生型没有差别。进一步分析DNM2的功能，对比野生型和DNM2敲降的成纤维细胞，结果显示：任意选取的区域内两种细胞线粒体的数目相似；线粒体的形态以及大小也没有明显区别。DNM2单敲和DNM1-DNM3三敲的成纤维细胞具有相似的表型，即DNM1-DNM3不参与线粒体分裂（fission）的过程。

图一：DNM1-DNM3敲除不影响线粒体形态

如先前的报道一样，当敲除Drp1时可以检测到线粒体形态发生变化（图二）。当在DNM1-DNM3三敲除的细胞中进一步敲降Drp1，可以观察到：线粒体的数量减少约50%；线粒体区域和周长增加约两倍。值得注意的是，Drp1敲低的效果在野生型和发动蛋白三敲除细胞中相似（图二）。表明线粒体形态受到Drp1的强烈影响，与DNM1-DNM3无关。

图二：Drp1敲降影响线粒体形态

那么，Drp1是否是线粒体分裂所必需的呢？星形孢菌素处理细胞，可以诱发线粒体分裂。 用星形孢菌素处理野生型和DNM1-DNM3三敲除的成纤维细胞，都发现：线粒体碎片化；线粒体数量增加；面积减少。说明：星形孢菌素诱导的线粒体分裂在没有DNM1-DNM3蛋白的情况下发生，DNM1-DNM3蛋白不参与线粒体分裂（图三）。然而，当敲降Drp1时，野生型和DNM1-DNM3三敲除的成纤维细胞均对星形孢菌素诱导的裂变具有抗性。说明：星形孢菌素诱导的线粒体分裂需要Drp1，但不需要发动蛋白DNM1-DNM3（图三）。

图三：线粒体分裂需要Drp1，但不需要发动蛋白DNM1-DNM3

总之，研究人员认为不管是在正常条件下或者是在刺激条件下，发动蛋白DNM1-DNM3不是线粒体分裂所必需的，而Drp1是线粒体分裂的关键作用因子。

 原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1296-y

1.McBride, H.M., M. Neuspiel, and S. Wasiak, Mitochondria: more than just a powerhouse. Curr Biol, 2006. 16(14): p. R551-60.

2.Meeusen, S.L. and J. Nunnari, How mitochondria fuse. Curr Opin Cell Biol, 2005. 17(4): p. 389-94.

3.Otsuga, D., et al., The dynamin-related GTPase, Dnm1p, controls mitochondrial morphology in yeast. J Cell Biol, 1998. 143(2): p. 333-49.

4.Cereghetti, G.M., et al., Dephosphorylation by calcineurin regulates translocation of Drp1 to mitochondria. Proc Natl Acad Sci U S A, 2008. 105(41): p. 15803-8.

5.Lee, J.E., et al., Multiple dynamin family members collaborate to drive mitochondrial division. Nature, 2016. 540(7631): p. 139-143.

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