文摘
体细胞可以重组成多能细胞状态与胚胎干细胞相似。鉴于体细胞之间的显著的生理差异和多能细胞,细胞重编程与深刻的各级重组体细胞表型。线粒体形态的重构是一个戏剧性的变化在细胞重编程体细胞必须承担。体细胞改变他们的管状和相互联系的线粒体网络中的分散和孤立的细胞器多能干细胞早期细胞重新编程。因此,线粒体裂变,线粒体分裂的过程,细胞重编程过程中起着重要的作用。在这里,我们提供了一个概述线粒体在细胞裂变重组的重要性和细胞转变。
1。介绍
线粒体及其运动细胞器100年前首次被描述(1]。除了能源生产丙酮酸的氧化磷酸化(OXPHOS)和脂类物质的机会,线粒体扮演重要角色在各种细胞内过程的监管,这样细胞内钙稳态(2),iron-sulfur蛋白质组合(3),或细胞凋亡4和先天免疫细胞信号通路5]。
没有新创线粒体生物起源;线粒体除以裂变和加入融合(6,7]。裂变未来平衡允许线粒体获得不同的结构。高于聚变裂变时,线粒体成为分散和孤立。当融合高于裂变,这些细胞器显示一个管状和网络形态。细胞可以转移裂变和聚变的平衡细胞内或细胞外刺激的反应。因此,线粒体分裂期间增加(1)G2 / M期细胞周期,保证准确的线粒体分离之间的两个子细胞在细胞分裂过程中(8,9];(2)在神经元线粒体运输,沿着轴突和树突(方便运输10];(3)细胞凋亡的早期阶段,促进细胞色素c的释放到细胞质诱导线粒体嵴改造(11,12];或(4)mitophagy,消除不正常的线粒体(13]。另一方面,线粒体融合期间支持(1)细胞周期G1 / S的过渡,为DNA合成(提供必要的能源14];(2)细胞生存在饥饿,最大化能源生产和保护自己免受mitophagy [15,16];(3)线粒体互补,避免损失的这些细胞器(线粒体功能受损引起的组件17,18];或(4)胚胎发育,如滋养层或胎盘的形成19,20.]。因此调节线粒体动力学线粒体功能的正确实现的关键。事实上,组件驱动或调节突变聚变和裂变过程与一些人类疾病相关联,如视神经萎缩(Opa1基因)或疾病(腓骨肌萎缩进行MFN2和GDAP1基因)[18]。
分子机械控制核裂变和核聚变的过程包括蛋白质表面局部在线粒体膜或招募这些细胞器,以应对不同的刺激。融合过程的三个关键球员mitofusin (Mfn) 1和2和视神经萎缩蛋白1 (Opa1),这两者都是跨膜蛋白的本地化的外部或内部的线粒体膜,分别。Mfn1和缆索相邻线粒体中进行Mfn2形成trans-hetero——或homocomplexes促进他们的外膜的融合17,19]。有人建议,七个重复地区Mfn1采用一个反平行的卷曲螺旋构象范围相邻的线粒体融合过程中(21]。细胞缺乏Mfn1和显示线粒体碎片和失败中进行Mfn2线粒体互补(19,22),最终导致线粒体功能失调的积累(17]。线粒体内外膜的融合是一个暂时的联系,多步过程由跨膜控制适配器蛋白质跨膜(23]。Mfn1和互动中进行Mfn2 Opa1 [24),这表明与Opa1 Mfn1/2之间的相互作用和/或身体其他适配器连接这些细胞器膜协调的融合(25]。裂变过程执行dynamin-related蛋白1 (Drp1),胞质蛋白与GTPase活性(26,27]。Drp1激活细胞溶质的转译后的修改,以应对不同的刺激,然后招募到线粒体表面的相互作用与蛋白质适配器(28,29日]。Mitochondria-recruited Drp1 oligomerizes线粒体的外表面形成一个环状结构的细胞器。一旦完成Drp1螺旋在线粒体,三磷酸鸟苷的水解绑定到Drp1引起蛋白质构象变化引起的收缩环,最终导致在两个不同的细胞器(线粒体的分裂30.,31日]。不同的蛋白适配器Drp1被描述,包括线粒体分裂蛋白1 (Fis1) [28),线粒体分裂因子(Mff) (32),而线粒体的动态蛋白质49 (Mid49)和51 (Mid51) kDa [33,34]。最近的研究表明,这些Drp1适配器可以共同运作或冗余的招聘GTPase线粒体(35,36]。
线粒体动力学、裂变和聚变的平衡,是一个高度管制的过程中发挥核心作用,转译后的修改在这个平衡的结果。由细胞外调节激酶磷酸化Mfn1 1/2 (Erk1/2)损害其寡聚化属性和导致减少线粒体融合(37]。同时,由c-Jun n端进行Mfn2激酶的磷酸化(物)导致其ubiquitin-mediated蛋白酶体降解,导致增加线粒体碎片(38]。Opa1经历蛋白水解处理由几个蛋白酶生产短期和长期蛋白亚型(39- - - - - -41];然而,鲜为人知的是这种蛋白水解处理改变线粒体动力学(42]。众所周知,改变Opa1蛋白水解作用影响内线粒体膜动力学和嵴结构(43]。Drp1转译后的修改几次的目标,影响其功能:磷酸化,泛素化,sumoylation,亚硝基化7]。关于其磷酸化,只有由不同的激酶磷酸化在三个Drp1残留已经被很好地记录下来了扮演一个角色在这种蛋白质的规定:丝氨酸579(616人类丝氨酸),丝氨酸600(637人类丝氨酸),656(693人类丝氨酸)丝氨酸。磷酸化的这三个残留影响Drp1蛋白质-蛋白质之间的关系与可以削弱或支持Drp1的线粒体招聘。它被描述Ser579磷酸化诱导线粒体分裂(9,44- - - - - -48];Ser656磷酸化导致线粒体融合(49];和Ser600磷酸化导致线粒体分裂(50,51)或融合(15,48,52- - - - - -55(图),这取决于细胞上下文1)。最近,它已被描述,活化蛋白激酶(Ampk)诱导线粒体分裂,以应对能源压力通过直接的磷酸化Mff [56]。
内质网(ER)在线粒体分裂也起着重要的作用。它已经表明,ER预测包装线粒体的分裂地区这些细胞器发生。这些ER-mitochondria联系人不是Drp1-dependent,而是提高招聘的GTPase这些焦点57,58]。ER-associated倒甲酸精2 (Inf2)中扮演一个重要的角色在线粒体分裂诱导肌动蛋白丝的积累在ER-mitochondria接触点。肌动蛋白丝的分布在线粒体的ER接触点可以驱动一个初始线粒体收缩有利的作用mitochondrion-bound Drp1 [58]。同时,profission角色ganglioside-induced differentiation-associated蛋白1 (Gdap1)已经被提出,作为Gdap1有利于ER-mitochondria接触在某些神经细胞的形成及其过度会导致线粒体碎片(59- - - - - -61年]。
2。线粒体动力学在胚胎发育和细胞分化
随着卵母细胞提供了所有的线粒体受精卵在受精过程中,这些细胞器的孕产妇。在胚胎发育的第一阶段,线粒体生物起源和mtDNA合成不活跃和线粒体质量衰变一半在每个细胞分裂(62年]。在开发的早期阶段,细胞有一个简单的线粒体网络:cristae-poor和支离破碎的线粒体mtDNA较低拷贝数。相反,体细胞的线粒体网络显示一个复杂的结构:cristae-rich和线粒体管状致密线粒体基质和高mtDNA拷贝数(62年- - - - - -66年]。
在胚胎发生细胞分化导致进步mtDNA拷贝数增加,线粒体的质量,大小,这些细胞器的复杂性67年- - - - - -69年]。例如,心肌细胞的规范70年,71年)或脂肪细胞(72年)细胞谱系的特点是增加伸长,矩阵的复杂性,线粒体的功能。心肌细胞分化过程中,线粒体通透性转换孔的关闭增加线粒体膜电位和降低活性氧(ROS)水平(71年]。进行Mfn2和Opa1这个线粒体的成熟过程中起着重要的作用。缺乏进行Mfn2或Opa1阻止线粒体融合导致胞质钙含量的增加,钙调磷酸酶激活,损害有效的心肌细胞分化[73年]。线粒体的完整性,在能量方面,Ca2 +存储/缓冲、神经递质代谢或ROS信号在神经生理学中起着核心作用在发展和成年期(74年]。有趣的是,各种神经退行性疾病,如疾病腓骨肌萎缩,帕金森症,或几个共济失调,都与突变基因编码的蛋白质参与线粒体动力学,凸显这个平衡维持神经元内稳态的作用(75年]。
mtDNA复制的低利率在胚胎发育的早期阶段发现和胚胎干细胞(ES)细胞相关基因的高甲基化水平编码线粒体DNA聚合酶亚基γ(76年)和线粒体转录因子(Tfam)[77年],它会损害他们在早期胚胎细胞的表达。然而,脱甲基作用引起这些基因在胚胎的着床,从而增加他们的表达和mtDNA复制。
尽管深刻变化试验由线粒体网络在细胞分化过程中,线粒体动力学的规定在胚胎或成体干细胞了解甚少。胚胎干细胞提供一个支离破碎的线粒体形态(65年,78年]。的差别令人惊讶的是,对这些生长因子erv1式(女朋友)在ES细胞,从而导致增加Drp1蛋白质含量和线粒体裂变率,损害多能性和凋亡79年]。另一方面,成人神经干细胞(NS)细胞显示管状细胞线粒体形态和NS来自Mfn1/2——或者Opa1零的老鼠,这显示增加了线粒体碎片,显示自我更新和更倾向于细胞减少承诺与增强活性氧和Nfe2-related因子2 (Nrf2)表达水平80年]。这些证据有力地表明,线粒体核裂变和核聚变的一个适当的平衡需要保持均匀和功能性细胞中线粒体的人口。
3所示。线粒体动力学在细胞重新编程
体细胞可以重组的胚胎干细胞多能性状态类似于异位表达Oct4、Sox2, Klf4,原癌基因(OSKM以下)81年];化学处理(82年];或核移植83年- - - - - -85年]。合成细胞的多能性质使他们强大的工具(1)胚胎发育研究[86年),(2)生产转基因动物(87年,88年),(3)建立体外模型的遗传疾病(89年),和(4)开发新疗法在再生医学(90年]。在不同的方法中,OSKM-induced体细胞重编程已经成为最普遍的技术由于其高重现性,适用于人类的样品,和简单的过程。
OSKM-induced细胞“重编程”构成了一个有组织的事件序列的差别开始对这些基因的体细胞标记(91年]。然后,激活细胞增殖的92年),代谢开关的感应OXPHOS糖酵解(65年],mesenchymal-to-epithelial过渡(遇到)93年,94年]。最后,处处与细胞永生化过程(95年- - - - - -One hundred.)和upregulation核心多能性标记,等Oct4或Nanog(91年,101年]。同时,有一个全球消除体细胞重编程过程中表观遗传特征,这是由histone-modifying [102年- - - - - -104年]和DNA-modifying [105年)的酶。它已经表明,体细胞表观遗传标记的擦除后增加的顺序循环周期在细胞增殖由于稀释影响细胞分裂(92年,106年,107年]。
三开创性的研究已经证明,改变由体细胞OSKM-induced细胞“重编程”组织中两个连续波(108年- - - - - -110年]。第一波,称为随机相位,与细胞周期的变化,DNA复制和满足。第二波,决定性的阶段,与总激活转录多能性的核心。这些研究表明,低效率的过程是由于一些开始体细胞耐火材料细胞重编程细胞中间体和被困。
与细胞分化在胚胎发生,它已经表明,线粒体动力学遵循反向通路在细胞重编程:线粒体恢复和变得支离破碎64年,111年),其功能是能源生产细胞器减少(65年,112年),和mtDNA复制却降低了(113年]。虽然已经表明Drp1并不发挥作用在OSKM-induced体细胞重编程(114年],一些报告显示,这种蛋白质在这个过程中扮演着重要角色78年,115年,116年]。在这方面,我们发现增加Drp1总蛋白质和Drp1-S579磷酸化在随机阶段的细胞重新编程。在早期的重组,Erk1和Erk2的差别被激活的结果对这些Dusp6 shp蛋白质磷酸酶。激活Erk1/2使磷酸化Drp1-S579,导致其招聘线粒体和触发器在随机阶段线粒体分裂的细胞重新编程(78年)(图2)。除了Erk1/2,细胞周期蛋白依赖性激酶1 (Cdk1)也可以参与磷酸化Drp1-S579在早期细胞重编程(9]。事实上,它已经被观察到多能性减少相关的转录因子表达蛋白1 (REX1)激活细胞周期蛋白B人类胚胎干细胞表达。这upregulation激活CDK1 /细胞周期蛋白B复杂,导致增加Drp1-S579磷酸化和线粒体碎片。REX1零ES细胞显示管线粒体形态和自我更新能力下降(116年]。同时,多能老鼠胚胎干细胞缺乏功能Drp1派生了基因同源重组(117年)(图2)。虽然Drp1有明显缺陷基因敲除小鼠在胚胎发育和突触的形成,Drp1零胚胎干细胞维持多能性和自我更新的能力。Drp1淘汰赛细胞显示一个管状线粒体形态和增殖率较低。令人惊讶的是,缺乏Drp1基因不影响胞质分裂。鉴于线粒体分裂Drp1所扮演的重要角色,这个过程是至关重要的保证这些细胞器的平均分配在每个细胞分裂之间的两个子细胞,石原和他的同事们令人困惑的结果。绕过这个难题,石原和他的同事们认为未知的机械力量可能扮演一个角色不隔离的线粒体在细胞分裂之间的两个子细胞。
相反线粒体分裂的传统思想的机制保证线粒体的均等分配之间的两个子细胞胞质分裂过程中,最近的一份报告显示,线粒体分裂还驱动这些细胞器的不对称分布在细胞分裂的干细胞样细胞增加了额外的一层复杂的生理角色已经归因于这些细胞器的碎片。有趣的是,这种不对称分布的线粒体的质量取决于细胞器和不足而年龄或细胞器隔离分化的子细胞越多,健康线粒体是合成聘请的干细胞样细胞在胞质分裂(118年]。有趣的是,这种非对称分离线粒体有助于保持同质人口和健康的干细胞样细胞,这可能被认为是一种自私的自我更新。这将是有趣的调查是否不平等隔离线粒体的地方在正常和/或体内病理条件。
与体细胞相比,ES细胞表现出低水平的Mfn1/2表达式[78年,119年]。有趣的是,Mfn1/2淘汰赛细胞显示更快、更高效率的细胞重新编程由于增加了线粒体分裂和细胞增殖。也缺乏Mfn1/2支持Erk1/2激活,这可能会提高这些MAP-kinases Drp1-S579磷酸化(119年]。此外,Erk1/2-mediated磷酸化Mfn1使其失活(37]。因此,除了增加线粒体分裂通过Drp1磷酸化(78年),Erk1/2激活在早期细胞重编程可以抑制线粒体融合通过Mfn1磷酸化(图2)。
最近,它已被描述,其他蛋白质参与线粒体裂变,如Mid51或Gdap1,细胞重编程(也很重要120年]。Downregulation这些两种蛋白质可以降低细胞的重编程效率。有趣的是,Gdap1淘汰赛细胞重编程效率低是因为显示缺陷引发过程中线粒体碎片。未能进行有效的线粒体分裂Gdap1空细胞在细胞重编程诱导DNA damage-independent G2 / M被捕(图2)。
重要的相似之处细胞重编程和细胞转换确实存在(105年]。在这方面,一个类似的角色提出了肿瘤发生[线粒体分裂的121年]。碰巧在细胞重新编程,一些细胞转换过程与满足(122年和线粒体形态的变化:从管状网络分散和孤立的线粒体。在ES细胞,观察肺(123年,胃124年],乳腺癌[125年,126年),胶质母细胞瘤(127年],结直肠[128年),神经母细胞瘤(129年),卵巢130年),胰腺(46),和黑素瘤47肿瘤细胞显示高水平的Drp1和低的Mfn1/2基因的表达。因此,抑制Drp1表达式或超表达的Mfn1/2导致显著降低癌细胞增殖和自发性细胞凋亡增加123年- - - - - -126年,128年]。其他一些癌症细胞的特点是减少或增加Mfn1/2和Fis1分别表达水平(131年,132年)(图2)。
此外,Drp1调控在细胞转换似乎类似于细胞重新编程。在转化细胞减少Drp1-S579 Erk1/2抑制磷酸化水平,伸长的线粒体,减少细胞增殖和肿瘤形成的能力46,47]。淋巴细胞白血病细胞,Erk1/2触发Drp1-dependent线粒体分裂减少ROS和增强糖酵解保护细胞对抗化疗药物。在这方面,激活ERK信号的组成型表达一个既定的活跃的k - ras基因突变赋予了细胞的表型可塑性很大程度上促进了肿瘤的转换和收购干细胞的特征(133年]。大脑肿瘤起源细胞(发言)显示线粒体碎片。发言细胞表现出高水平的DRP1-S579磷酸化和定位DRP1使用RNA干扰或药物抑制发言细胞诱导细胞凋亡和抑制肿瘤的生长48]。最后,以及类似的Gdap1空细胞在细胞重新编程,击倒Drp1在肺癌和乳腺癌细胞诱发DNA damage-dependent G2 / M逮捕[134年)(图2)。
4所示。线粒体分裂和Mitophagy细胞重新编程
线粒体分裂mitophagy是必要的,而线粒体融合损害这mitochondrial-specific形式的自噬135年]。因为它被描述在一个线粒体清除细胞重编程(111年,136年,137年],一些研究表明,mitophagy可能参与这个减少线粒体质量,因此在重组过程中发挥积极作用[138年,139年]。因此,自噬被证明能增加细胞的诱导重编程效率(140年),这个过程的早期和暂时的激活已观察到发生早期细胞重组减少线粒体质量(137年]。然而,新研究质疑这些结果。工作由三个不同的实验室证明Lc3b / Atg5-dependent自噬不负责线粒体间隙期间观察到的细胞“重编程”(78年,141年,142年]。此外,另外两个实验室的观察显示,ES细胞线粒体质量/总蛋白比类似的体细胞(143年,144年]。因此,这似乎不可能,积极减少线粒体质量mitophagy细胞重编程过程中发生。,这些观察结果表明,超出其作用常数线粒体功能失调的周转率,mitophagy似乎没有必要细胞重新编程。尽管如此,线粒体质量的绝对减少可能是由于一个自适应的过程所需要的新的文化条件维持多能性(78年)或通过Lc3b / Atg5-independent自噬通路(141年]。自相矛盾的是,假设一个被动的线粒体间隙在一轮轮的细胞分裂需要生成新的线粒体维持一个适当的分配这些细胞器之间的两个子细胞。按照这个想法,据报道,诱导线粒体生物起源标记细胞重编程(78年,111年]。自噬的作用,一般来说,和mitophagy,特别是在维护多能性了解甚少;然而,一些研究指出,自噬激活更重要的是在细胞分化过程中比在收购的多能性状态145年]。此外,化学激活Ampk减少细胞重编程效率(146年],诱导自噬与增加Ampk活化(147年]。有趣的是,它被描述,Ampk磷酸化Drp1-S600,损害Drp1功能和线粒体分裂55,148年,149年]。蛋白质组学分析Drp1在老鼠胚胎干细胞没有透露这转译后的修改在线粒体和胞质分数自我更新文化条件下的蛋白质(78年]。虽然没有描述这磷酸化细胞“重编程”的作用,它可能是类似于癌症细胞,发现脱磷酸化的Drp1-S600有关肿瘤恶化(48]。同意这个,Ampk活化似乎抑制癌症恶化[150年- - - - - -152年]。进一步的研究可能揭示的角色Ampk-mediated Drp1-S600磷酸化过程的早期细胞重编程(图2)。
5。结论
除了线粒体形态的变化、细胞重组引发代谢转换:从一个oxidative-somatic状态glycolytic-pluripotent状态(153年]。这个代谢重构提供了几个相似之处与癌细胞(Warburg效应观察154年]。事实上,有很多流程中增加了线粒体分裂与活化的糖酵解和减少OXPHOS [155年]。观察到的变化似乎在线粒体形态和代谢的关键细胞重编程和在肿瘤发生的早期事件。完全,发布数据显示,接近随机相位之间的并行性细胞重编程和细胞转换(105年]。两个过程之间的相似性表明,任何进展的控制诱导多能性不仅有助于正确地管理这个强大的工具为其生物医学应用,也为了更好地理解早期发生在人类恶性肿瘤的发展。有趣的是,体内细胞“重编程”正在成为另一种再生医学的方法,不需要细胞移植(156年- - - - - -159年]。鉴于线粒体动力学的重要性体细胞分化和去分化,这线粒体的过程可能会扮演一个关键的角色在细胞命运改造期间体内细胞重新编程。因此可能发现新技术的局部调节线粒体动力学在一组特定的细胞中,结合部分体内细胞重新编程,将理由发展小说mitochondria-based治疗方法以提高人类福利。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作是支持格兰特bfu2015 - 68366 r MINECO /菲德尔,Josema托雷斯的问题。哈维尔-普列托Vali + d博士前的奖学金支持从Generalitat Valenciana。Josema托雷斯持有Post-RyC瓦伦西亚大学的终身教授研究奖。