文摘
线粒体是迷人的细胞器,满足多种细胞功能等能源生产、脂肪酸β氧化、活性氧(ROS)生产和解毒,和细胞死亡调节。这些函数依赖于自主线粒体流程的协调以及持续的相声和其他细胞器和/或胞质。因此,这意味着线粒体功能的严格监管,确保细胞内稳态。在许多疾病(如癌症,心脏病,非酒精性脂肪肝疾病和神经退行性疾病),线粒体可以接收有害信号,功能障碍,然后参与发病。他们可以接受减少的生物能量学函数或一个过程被称为线粒体通透性转换(MPT),可以执行协调细胞死亡。许多研究提供证据,保护线粒体疾病进展和严重程度限制。在这里,我们将回顾最近的策略来保护线粒体功能通过直接或间接MPT抑制机制。因此,一些线粒体蛋白质可能考虑cytoprotective-targeted疗法。
1。介绍
线粒体是细胞内的细胞器,其首次发现函数是由氧化磷酸化(能源生产1]。根据哺乳动物组织,线粒体可能有额外的功能,例如β氧化、热产生活性氧(ROS)新陈代谢,协调和细胞死亡。然而,由于出现线粒体控制细胞死亡的概念在95年代(最近的评论:2,3]),很明显,线粒体参与各种类型的细胞死亡,细胞凋亡,坏死,肿瘤病和有丝分裂catastrophy通过线粒体膜透化作用(MMP),释放proapoptotic因素膜间隙中包含细胞溶质和可能裂变,即使线粒体分裂是不够的本身诱导细胞死亡(4,5]。线粒体功能障碍与一系列有关人类疾病如癌症,心脏病,非酒精性脂肪肝疾病、神经退行性疾病和衰老。由于基因功能障碍时,疾病已经在动物模型系统的特点(6,7]。因此,线粒体损伤可以联系这些细胞器的代谢功能,他们的角色在细胞死亡,或两者兼而有之。此外,在慢性疾病,如心脏体积overload-induced肥大(8),线粒体功能障碍之前的细胞凋亡和坏死细胞的损失,这意味着两种障碍可以分离顺序在疾病的进展。这也观察到在非酒精性肝病的发病机制,无论其初始原因,作为广泛审查(9]。肝线粒体功能障碍会导致细胞凋亡或坏死取决于细胞的能量状态(9]。
代谢障碍表现通过ATP合成能力降低,增强ROS生产由于呼吸链电子泄漏,改变细胞内的pH值和频繁,线粒体形态变化的网络。例如,心力衰竭的定义是心脏无力跟上需求和提供足够的血液流动到其他器官,如大脑、肝脏和肾脏伴随着减少能源生产和能源传输容量(10]。这将导致减少电费的心肌被描述为扩张型心肌病的预后因素(11]。这种代谢障碍也影响周围的循环和显示涉及线粒体生物起源的减少(10]。
MMP对应多个事件不可逆转导致细胞死亡(2,12]。这些致命的事件是排他性的,他们中的一些人可以单独发生,而另一些紧密的联系在一起。因此,MMP指蛋白质从细胞溶质易位外膜(OM),线粒体外膜破裂,失去内心的膜电位(ΔΨm),嵴重构和释放膜间隙蛋白质如细胞色素c或凋亡诱导因子(AIF)。例如,在各种压力,伯灵顿或tBid,位于胞质,可以把线粒体膜,与线粒体蛋白质oligomerize形成大型渠道使细胞色素c的释放和激活内在细胞凋亡信号级联(评论:2])。
在许多病理生理模型,但不是全部,MMP的还包括所谓的过渡孔隙渗透率复杂(PTPC)介导的非选择性透化作用IM和OM分子分子质量(MM) 1.5 kDa(详情见下文)2,12]。因此,在放疗肿瘤细胞系和缺血性神经细胞,伯灵顿可以与腺嘌呤核苷酸移位酶(ANT)和/或压敏电阻器阴离子通道(VDAC)促进MMP和细胞死亡。
在这里,我们将审查直接和间接的机制或手段保护线粒体功能通过关闭PTPC和预防线粒体通透性转换(MPT)。MPT监管机制的讨论将基于所选文章聚焦于心脏疾病和癌症。
2。线粒体膜通透性和PTPC
线粒体膜透性是严格控制在单细胞和多细胞生物窝藏这些细胞器。OM被认为是自由渗透通过入口离子和代谢物通过蛋白质通道(例如,压敏电阻器阴离子通道,VDAC),而内膜(IM)被认为是不透水。因此,离子的出入境或代谢物槽IM是由整体蛋白质如线粒体载体家族的成员(13]。这个家庭的蛋白质被蚂蚁或ADP / ATP载体,介导的化学计量矩阵之间的ADP和ATP交换和膜间隙(14]。此外,渗透运动细胞溶质的水陪溶质传输矩阵,但这些传输的分子基础在很大程度上仍是未知的(15]。当过度刺激内源性信号(过多的活性氧、钙()过载,蛋白酶激活,脂质积累等)或有害信号通路激活(如激酶、磷酸酶、蛋白酶,伯灵顿/ -Bid-mediated途径等)发生时,线粒体进行了MPT,突然增加的现象,包括即时通讯渗透率小分子。MPT是孤立的现象首先研究牛肉心脏线粒体在回应过载(16]。因此,孤立的线粒体的反应剂是一种非特异性的IM的渗透性的增加,导致进入水和溶质,ΔΨm,矩阵肿胀,同时解偶联氧化磷酸化(图1)。值得注意的是,剂量的很大程度上取决于组织线粒体的起源和的数量在缓冲区。最终,MPT是伴随矩阵肿胀和OM破裂如图所示通过透射电子显微镜(17- - - - - -19]。这种现象可以被螯合,ATP,和环孢菌素(CsA)在体外以及在活的有机体内(20.- - - - - -22]。
(一)
(b)
MPT实验之后可以通过吸光度的暂停隔离线粒体通过分光光度法和ΔΨm使用合适的荧光探针的损失(例如tetramethylrhodamine甲酯(TMRM),罗丹明123 (Rhod123), 5、5′, 6, 6′- tetrachloro-1 1′, 3、3′-tetraethylbenzimidazol-carbocyanine碘(JC-1)) (19,23]。使用分离细胞器的主要利益是监控直接诱导的线粒体反应化合物独立于其他细胞车厢和自动化测量的可能性在药理研究的角度19,23]。
一个主要的缺陷是,而隔离程序被认为是无损的肝脏和细胞系线粒体(24,25),线粒体反应分离线粒体的骨骼肌和心脏可能依赖于细胞结构(显然)失去了26]。
另一个缺陷是交叉污染与其他细胞的线粒体分数隔间和纯度的准备工作必须认真检查。MPT也可以通过测量成像与荧光探针钙黄绿素的钴在活细胞如肝细胞不同,星形胶质细胞和心肌细胞27- - - - - -31日]。原则是钙黄绿素(分子量620 Da)可以扩散到整个细胞,而钴、荧光冷却器,不能进入线粒体基质和扩散到其他细胞。因此,在生理条件下线粒体出现荧光和MPT后,钙黄绿素的淬火钴触发荧光下降。例如,海拉细胞被thapsigargin SERCA的泵抑制剂或A23187,离子载体(32),接受MPT如图所示,显著减少由于IM透化作用和钴钙黄绿素荧光猝灭(30.]。MPT也被监控的全心2-deoxy [3H]葡萄糖截留技术[33]。
值得注意的是,完整的示范,过程是由PTPC开放的预处理要求其抑制细胞或孤立的线粒体通过CsA,还有著名的D (CypD)配体(20.,34]。此外,消声CypD MPT的感应,这样可以防止核成为强制性的在cellulo,因为基因示范CypD对MPT至关重要和细胞死亡35]。
3所示。直接MPT抑制机制
PTPC被定义为压敏电阻器多元蛋白质复杂,在一定条件下可能形成一个非选择性通道联系地点之间线粒体膜(36,37]。根据定义,线粒体包含所有所需的蛋白质MPT感应然后MPT不需要任何neosynthesis。自初始PTPC识别通过电生理学,分子的身份这孔隙及其监管机构仍然是有争议的38- - - - - -40]。蚂蚁,VDAC CypD,三位前PTPC候选人,有自己的功能,无论他们的协会在PTPC或其他公认的多蛋白复合物如ATP synthasome [41和bcl - 2家族成员的寡聚物3,12]。因此,一些未知的PTPC成员可能有自己的代谢作用(如激酶,peptidyl-prolyl异构酶,deshydrogenase),运输(如线粒体载体、渠道)或结构(例如,动态机械、细胞骨架、AKAP蛋白质)。这意味着致命的MPT需要刺激和病理生理条件下发生,这主要是通过和活性氧。无论其组成、PTPC是一个普遍的现象在许多疾病的发生。虽然已经被强烈的主题研究和治疗癌症的发展寻找PTPC诱导物(42),它只出现在一个有前途的目标cytoprotection在各种疾病如神经退行性、心血管和代谢疾病。PTPC大型面板可以直接调制的药理代理人,通过转录后修饰和合作与其他蛋白质可能在下面讨论的细胞的生活产生重大影响。
3.1。药物抑制PTPC
利用各种来源的分离线粒体,令人印象深刻的文献报道,许多分子或化合物调节PTPC回应、活性氧或疾病。因此,一些化合物可以激活MPT,而更多的有限数量的他们可以防止PTPC开幕。一些化合物已知线粒体目标,如蚂蚁,VDAC CypD,转运蛋白蛋白质18 kDa(表1)。总而言之,大多数调查抑制剂PTPC CsA,调节CypD,如下面所讨论的。
与未来的治疗应用程序的一个例子是心脏缺血/再灌注损伤。在急性心肌梗死(AMI)再灌注后组织损伤发生大量的代表整体,不可逆转的损害。动脉缺血和再灌注引起一系列广泛的功能和结构改变的线粒体。这些反应是直接控制下的高度保守的转录复杂HIF-1和结果从调制在糖酵解相关基因的表达中,葡萄糖代谢、线粒体功能,细胞存活、细胞凋亡,抗氧化应激(43]。
PTPC开放起着至关重要的作用在这个特定的组件的心肌梗塞。强烈支持这个概念最近提供的减少梗塞大小观察小鼠缺乏CypD [35]。因此针对PTPC出现再灌注相关策略来减少缺血性损害。大量的证据表明,有可能减少梗塞大小和保护心脏梗塞后后处理或药理战略。短暂的心肌缺血-再灌注在再灌注后长期缺血性侮辱可能减弱总ischaemia-reperfusion受伤。最近,CsA已经证明可以显著减少梗塞大小在许多动物物种和人类。最近的概念验证临床试验支持,针对MPT通过冠状动脉介入后处理或CsA可以减少梗塞面积和改善再灌注后收缩功能的恢复21,73年]。这种策略也适用于ischaemia-reperfusion损害其他组织和细胞,如血管内皮细胞(74年),肝细胞(75年,76年),和神经元77年- - - - - -79年]。此外,一些试图目标CsA的线粒体间的接合的亲脂性的triphenylphosphonium阳离子被证明是有前途的cytoprotection从葡萄糖和缺氧神经元(80年在心肌细胞中,81年),和其他各种器官(82年]。
3.2。线粒体激酶的作用,防止PTPC开放
几个保护涉及多个激酶的信号通路已被证明收敛线粒体和PTPC [83年)促进细胞生存(表2)。例如,在心肌细胞、游泳池等激酶的一种蛋白激酶,蛋白激酶C -ε(PKCε),extracellular-regulated激酶(ERK)、糖原合成酶激酶3β(GSK-3β)和己糖激酶(香港)I和II,局部的或线粒体除了细胞溶质。这些mitochondria-associated蛋白激酶可能反过来,集成胞质刺激和提高公差的细胞损伤。
此外,系统的蛋白质组学方法显示,其中一些激酶可能形成hetero-oligomers PTPC与公认的组件。简单地说,GSK-3β和香港直接负责抑制PTPC开放的,因此,对于保护肌细胞坏死(96年]。因此,导致GSK-3后处理β抑制,允许再灌注损伤的心肌抢救调制MPT [86年]。在抗癌化疗,β肾上腺素能受体(βars)与多个信号通路调节蒽环霉素反应通过相声。β期间心血管2-ARs暴露在阿霉素引起的氧化应激(阿霉素)。阿霉素毒性是通过介导的部分端依赖引发的MPT明确显示由CsA (DOX-induced死亡率降低41%97年]。β2-ARs激活prosurvival激酶和减弱线粒体功能障碍引起的氧化应激。因此,无效的β2-ARs增强毒性通过负调节激酶和增强细胞内生存,从而诱发线粒体的PTPC [97年]。
此外,在癌症细胞系,激活线粒体ERK保护癌细胞通过抑制MPT[从死亡88年]。ERK抑制增强GSK-3β端依赖孔隙监管者CypD磷酸化,而GSK-3β抑制免受PTPC开放。
通过不同的分子机制,一些激酶等肌酸激酶(CK)和香港也cytoprotective效果和防止PTPC开放。根据组织,支持他们的表达,这些激酶可能通过参与能量转移cytoprotective代谢物如肌酸和葡萄糖(表2)。
3.3。稳定线粒体膜透性的bcl - 2家族成员
超过25的bcl - 2家族是由蛋白质与控制[生死攸关的决定98年]。这种蛋白质家族尤其研究癌症,导致bcl - 2、Bax的分类癌基因和肿瘤抑制,分别。一些成员(例如,伯灵顿/坏蛋白质,BH3-only蛋白质)细胞凋亡,而其他成员,如bcl - 2和Bcl-XL,防止细胞凋亡。此外,它已被证明,bcl - 2家族蛋白在肿瘤细胞线粒体的影响与临床化疗反应99年]。
cytoprotective bcl - 2家族成员的机制是多种多样的,包括直接线粒体的影响(3,12]。因此,bcl - 2有助于稳定线粒体膜通透性,抑制ΔΨm损失和细胞色素至少在肿瘤细胞,释放和氧化磷酸化的刺激One hundred.- - - - - -103年]。因此,直接蛋白质bcl - 2家族成员之间的相互作用,但也有几本构线粒体蛋白质如ANT (IM), VDAC (OM)或FoF1-ATP合成酶(IM)已经证明(104年]。直接与ANT bcl - 2配合,防止PTPC开放和抑制细胞死亡(101年,105年,106年]。此外,bcl - 2块全身的通道功能的蚂蚁和支持ADP / ATP移位酶功能,积极影响细胞内的ATP水平(107年]。同样,bcl - 2和Bcl-XL直接与VDAC调制其通道功能(108年]。Bcl-XL也绑定到线粒体F0F1-ATP合酶和调节神经元代谢效率(104年]。因此,重组蛋白bcl - 2家族的一些成员直接调节PTPC孤立的线粒体从各种来源,也就是说,肝脏和肿瘤细胞(25,109年]。bcl - 2一些特定的区域(例如,BH3, BH4域)负责这些影响,正如所料,缩氨酸对应于这些区域调节细胞凋亡在cellulo或孤立的线粒体,再次表明线粒体的直接目标25]。最后,在活的有机体内,BH4 Bcl-XL领域产生凋亡效应和变弱缺血/再灌注损伤通过抗凋亡机制在老鼠的心脏110年,111年]。
4所示。间接机制,从而增大阻力PTPC开放
根据定义,几种间接机制可能导致封锁ΔΨm PTPC打开通过调制,线粒体质量监管、氧化还原状态,融合/裂变过程和钙保留能力。这可能是由于改性蛋白表达,在转译后的修改和interactome,因此影响信号通路。下面,我们将分析三个间接PTPC保护机制最近被阐明。
4.1。抗氧化保护
线粒体ROS生产的主要网站,这可能导致各种疾病,包括心血管疾病和老化的发展。几项研究已经因此描述上下文中的抗氧化剂的影响政府小鼠的心脏和肝脏疾病(112年]。人们普遍承认,天然抗氧化剂白藜芦醇和姜黄素等有好处对缺血/再灌注损伤大鼠肝线粒体和细胞或心脏(113年,114年]。这些影响是复杂的白藜芦醇以来提出了有多个细胞内目标,如AMPK, SIRT1 Nrf2,这会影响转录组增加抗氧化防御(如过氧化氢酶、GPx GCLC),和其他基因以挪士和PGC1等α,这有利于增加线粒体质量和生物能疗法和减少细胞凋亡和炎症(评论:115年])。
对生存,白藜芦醇治疗产生有益的保护作用endothelium-dependent放松,和心脏收缩性和线粒体功能,表明白藜芦醇或代谢催化剂可以在降相关治疗心力衰竭(116年]。同样,在心脏,姜黄素另一个多酚具有抗氧化特性的显示,儿茶酚胺诱导毒性心血管效应通过线粒体损伤的预防,PTPC开放(117年),和心室功能障碍(118年),在保护通过减少氧化应激对大鼠心肌缺血侮辱(119年]。
另一个有前景的化合物的例子是MitoQ10,泛醌衍生物,这是一个mitochondria-targeted抗氧化剂(120年]。它已经被证明是有用的为保护内皮功能和衰减心脏肥大病患者高血压大鼠(121年]。此外,MitoQ10强有力地抑制cocain-induced通过修复心脏损伤的耗氧量和活性氧水平的稳定,特别是在纤维间线粒体(122年]。然而,当用于孤立心脏线粒体,MitoQ10可以增强dose-dependent-manner MPT的存在prooxidant叔丁基hydoperoxide (t-BHP)和非最优的剂量(图2),尽管它作为一种抗氧化剂在鼠肝线粒体123年]。这强调了反的二元性和prooxidant化合物,可以要么依赖于剂量的影响,细胞的氧化还原状态,组织,和/或管理的模式。这可能解释说,至少在某种程度上,失败的抗氧化剂能有效保护心脏功能的临床试验,最近了(124年]。
(一)
(b)
4.2。雌激素的保护
性和性别影响许多人类疾病的发生和发展,特别是与年龄相关的疾病。因此,雌激素,主要是17β雌二醇,可能有多效性的影响取决于组织(125年]。例如,某些心血管疾病,如心肌肥厚和心力衰竭,显然不同的临床表现和预后之间的男性和女性(126年]。因此,性荷尔蒙机制和性别差异正在激烈的调查。
动物和细胞模型特别工具,以更好地了解雌激素保护线粒体的水平(127年]。脑循环,例如,在雌激素调节血管舒张药能力的增强,抑制线粒体的血管炎症和增加效率(125年,128年,129年]。这个效果是,至少在某种程度上,由于线粒体生物起源的增加通过基因表达调制(129年和过氧化物减少生产125年]。因此,慢性雌激素治疗增加线粒体的氧化磷酸化而减少活性氧的生产能力。长期雌二醇治疗在乳腺癌和肺癌细胞,激活转录NRF-1并增加线粒体生物起源的130年]。
此外,PTPC线粒体的影响可能被雌激素受体,介导的间接α和β存在于细胞核,甚至质膜、内质网和线粒体(131年]。上下文中的ischaemia-reperfusion受伤,人们普遍承认,雌激素通过抑制心肌损害的保护PTPC函数。值得注意的是,雌二醇可能激活涉及一种蛋白激酶信号级联,没有合酶,guanylyl环化酶和蛋白激酶G,导致封锁MPT-induced从线粒体细胞色素c的释放,呼吸抑制和半胱天冬酶激活(131年]。因此,雌激素的影响是多因素疾病,主要是间接的。即使一些雌激素的分子能有效分离线粒体,精确的目标内雌激素PTPC仍然是未知的(132年]。因此,有趣的是,雌激素可以预防全身的细胞色素在孤立心脏线粒体,线粒体肿胀(但不133年]。
雌激素在切除卵巢的老鼠也防止化疗所致心肌病。再次,影响细胞抗氧化防御系统已经被提议作为雌激素(目标机制之一134年]。
4.3。运动保护
运动训练已被证明是有益的慢性疾病,包括心脏衰竭,肥胖、糖尿病或代谢综合征。因为耐力训练能够改善症状和生活质量,降低死亡率和住院治疗,它对这些病人越来越被认为是一个有益的实践。适应耐力训练主要包括精力充沛的重塑在骨骼和心脏肌肉(135年]。参与运动训练的有益影响的机制远未被理解。骨骼肌适应重复锻炼延长了标记定量和定性线粒体的变化。耐力训练促进线粒体体积密度的增加和线粒体蛋白质通过激活线粒体生物起源(136年]。运动训练减少凋亡过程,从氧化应激和保护线粒体功能和其他心脏的侮辱137年,138年]。运动训练导致灵敏度降低到PTPC心里开放线粒体和线粒体的保护。此外,即使急性运动防止心脏线粒体功能障碍,保护线粒体磷酸化产能和衰减DOX-induced减少公差PTPC开放(139年]。提出的机制来解释锻炼是介导的心血管效应,至少部分,通过氧化还原变化,包括诱导心肌热休克蛋白,改善心脏抗氧化能力和/或海拔其他心血管分子(137年]。
5。结论和开放的问题
在过去的十年中,直接和间接的方法来保护线粒体功能通过PTPC调制了。然而,它还为时尚早的cytoprotection破译最有效的策略。然而,最近的研究和研究进展推动线粒体在现场的新的治疗策略。然而,需要杀死肿瘤细胞之间的矛盾出现在癌症治疗和其他保护细胞免受伤害。更令人担忧的是许多抗癌治疗线粒体毒性,成为引人注目的高度氧化:细胞与心肌细胞。事实上,线粒体是主要目标时毒性抗癌药物而言的44,140年]。因此cytoprotection针对线粒体具有挑战性的问题之一是发现新的分子或治疗会有选择性地针对肿瘤细胞而不影响心脏线粒体。这将刺激新的研究致力于提高我们的基础知识的机制和组织特异性PTPC开放和线粒体功能。同时,这将打开可能寻找新的药物与组织对线粒体的影响。最后,另一个挑战,基础和临床研究将面临在未来是性和性别影响的概念可能是决定性的许多严重的疾病治疗。
缩写
| 蚂蚁: | 腺嘌呤核苷酸移位酶 |
| β农业研究所: | β肾上腺素能受体 |
| : | 钙 |
| CK: | 肌酸激酶 |
| 客服人员: | 环孢菌素一个 |
| CypD: | 还有D |
| ΔΨm: | 线粒体内膜的潜力 |
| 阿霉素: | 阿霉素 |
| 兵: | Extracellular-signal-regulated激酶 |
| GSK-3β: | 糖原合成酶激酶3β |
| 香港: | 己糖激酶 |
| 即时通讯: | 内膜 |
| JC-1: | 5、5′,6,6′-tetrachloro-1, 1′, 3、3′-tetraethylbenzimidazol-carbocyanine碘 |
| MMP的: | 线粒体膜透化作用 |
| MPT: | 线粒体通透性转换 |
| OM: | 外膜 |
| PTPC: | 渗透过渡孔复杂 |
| Rhod123: | 罗丹明123 |
| ROS: | 活性氧 |
| TMRM: | Tetramethylrhodamine甲基酯 |
| VDAC: | 压敏电阻器阴离子通道。 |
确认
c·布伦纳和r . v . Clapier中心资深科学家国家de la任职。a·加尼叶c·布伦纳和r . v . Clapier支持LabEx LERMIT。支持c·布伦纳ANR (ANR-08PCVI 0008 - 01)。c·马特尔收到协会奖学金倒说是关于癌症。l . h . Huynh接到INSERM的奖学金。