综述：FIS1及其翻译后修饰在环境污染所致疾病和健康损害中的作用

《Cell Biology and Toxicology》：The role of FIS1 and its post-translational modifications in diseases and health damage caused by environmental pollution

本综述系统阐述了线粒体裂变蛋白1（FIS1）及其多种翻译后修饰（PTM）（包括磷酸化、SUMO化、泛素化、乳酰化和乙酰化）在维持线粒体动态平衡（如裂变、线粒体自噬）中的核心作用，并深入探讨了FIS1如何通过其功能变化参与多种疾病（如癌症、神经退行性疾病、肺动脉高压、急性肾损伤等）的发生发展，以及其在环境污染物（如PFOS、Pb、PVC-MPs、BPA）引发健康损害中的分子机制，为相关疾病的防治提供了新的潜在靶点。

　　

引言

线粒体作为细胞的“动力站”，在细胞生命活动中扮演着至关重要的角色。线粒体网络并非静态，而是通过线粒体裂变、融合、自噬和生物合成等多种活动来调节其稳态。线粒体裂变蛋白1（FIS1）是一种存在于细胞质中并可转运至线粒体外膜的蛋白。传统上，对FIS1的研究主要集中在它通过与动力相关蛋白1（DRP1）相互作用来介导线粒体裂变。然而，越来越多的证据表明，FIS1的功能远不止于此，它还在线粒体自噬、过氧化物酶体动力学以及溶酶体功能中发挥关键作用。蛋白质翻译后修饰（PTM）使得蛋白质能够执行不同的功能并表现出多样的特性，为许多蛋白质创造了多种可能性。FIS1蛋白的翻译后修饰与许多疾病的发生相关。环境污染已成为影响人类健康的严重公共卫生问题，FIS1在环境污染物引起的人类健康损害中的作用值得深入研究和探索。

FIS1的结构、功能与作用

FIS1的结构与功能

FIS1的结构包括一个N末端片段、一个由六个α螺旋通过短环连接形成的核心结构域（类似于34肽重复序列TPR）以及一个包含跨膜结构域（TMD）的C末端片段。研究表明，N末端区域对于FIS1刺激线粒体裂变的活性是必需的。在HeLa细胞中，删除N末端片段后，FIS1会失去线粒体裂变活性。在大鼠中，FIS1可以形成200-kDa的复合物，当N末端片段缺失时，FIS1的正常寡聚化会受到抑制。FIS1的TPR结构域在细胞中起着至关重要的作用，参与细胞运动、线粒体呼吸、蛋白质转运复合物形成以及蛋白质-蛋白质相互作用等过程。FIS1的TPR结构域在线粒体裂变中也发挥重要功能，当TPR区域发生突变时，线粒体会呈现细长形态。此外，TPR基序结构域可能调节功能性寡聚FIS1复合物的组装。C末端的TMD对于蛋白质的正确定位至关重要，它使得FIS1能够被递送到线粒体外膜。TMD的中等长度和C末端的正电荷对于正确的细胞靶向都至关重要。当没有C末端区域时，表达的蛋白质无法定位于线粒体，而是扩散在细胞质区室中。C末端的TMD不仅在线粒体定位中起作用，在线粒体裂变中也至关重要。此外，FIS1的C末端TMD使其能够定位于过氧化物酶体，并且FIS1在过氧化物酶体裂变中也扮演关键角色。

FIS1在线粒体裂变中的作用

线粒体是高度动态的细胞器。在线粒体网络中，多个独立的线粒体可以相互融合形成单个线粒体，而单个线粒体也可以分裂成两个或多个线粒体。线粒体裂变可以清除受损的线粒体，而线粒体融合使得不同的线粒体能够交换其内容物。在正常细胞中，线粒体分裂和融合呈现动态平衡，以维持线粒体群体的整体形态。当线粒体稳态被破坏时，会导致线粒体碎片化和细胞死亡。FIS1通常与主要位于细胞质中的动力蛋白DRP1相互作用。FIS1可以被转运至线粒体外膜，然后招募位于线粒体外部的DRP1到线粒体，从而调节线粒体的裂变和融合。P110是一种基于DRP1与FIS1相互作用设计的DRP1选择性抑制剂。

除了在常规的线粒体裂变中发挥非常重要的作用外，FIS1在线粒体周边裂变中也扮演着不可替代的角色。最近的研究表明，线粒体裂变并非简单地从线粒体中心断开将其分裂，而是在线粒体的顶端发生周边裂变。周边裂变的原因通常是外部应激或损伤，其结果往往是降解。中心区域的正常裂变通常有助于促进细胞的生物合成。在周边裂变发生之前，会建立溶酶体接触，并且这一过程受FIS1调节。在应激条件下，线粒体上的FIS1可以招募RAB7^GTP的激活蛋白TBC1D15，将RAB7^GTP转化为RAB7^GDP，从而解除线粒体-溶酶体接触。线粒体-溶酶体接触的破坏会导致线粒体的不对称分裂。

FIS1在线粒体自噬中的作用

自噬是细胞通过将其自身的细胞质物质或细胞器靶向至溶酶体形成自噬溶酶体，并降解其内容物的过程。它是一种高度保守的调节细胞代谢的机制，通过该机制，细胞内的各种蛋白质和细胞器可以被代谢。线粒体自噬是指细胞通过自噬机制选择性包裹和降解受损的线粒体，这有助于清除受损线粒体，维持线粒体和细胞内的稳态。线粒体自噬分为三个步骤：1) 当线粒体暴露于外部有毒物质或应激时，发生线粒体功能障碍，表现为线粒体活性氧（ROS）增加，膜电位降低；2) 受损线粒体被双层膜的自噬体识别并包裹，形成线粒体自噬体；3) 含有受损线粒体的自噬体被运输至溶酶体，并在酶的作用下降解。

关于FIS1在线粒体裂变中的研究相对深入，而其在线粒体自噬中的作用日益引起人们的关注。SENP3介导FIS1的去SUMO化，而去SUMO化的FIS1可以通过促进其线粒体靶向来促进线粒体自噬。FIS1-TBC1D15/17复合物在限制过度的自噬体招募中发挥作用。FIS1在RAB9依赖的线粒体自噬中也发挥着重要作用。RAB9与高尔基体来源的膜相关，并被ULK1在丝氨酸179位点磷酸化。RIP1和DRP1之间可以形成一个复合物，该复合物利用磷酸化的RAB9作为相互作用平台。DRP1的丝氨酸616位点可以被RIP1以ULK1和RAB9依赖的方式磷酸化。含有磷酸化DRP1的线粒体被RAB9相关的膜识别并分离，随后与溶酶体融合并被消化。研究表明，Syntaxin 17（STX17）是一种内质网驻留蛋白，参与自噬。它被转运至成熟自噬体的外膜，进一步促进自噬体与溶酶体的融合。FIS1的TPR2结构域与STX17相互作用，阻止暴露的N末端STX17发生自身寡聚化并抑制其进入线粒体。FIS1作为一个调节器，监督STX17从内质网到线粒体转运的动态过程，并能够防止STX17 N末端的暴露及其寡聚化。敲低FIS1会导致STX17向线粒体相关膜（MAM）的转运增加和线粒体过载，随后STX17招募ATG14，含有ATG14的PI3K复合物进一步核化脱离的膜以触发线粒体自噬。有趣的是，FIS1是促进还是抑制线粒体自噬，在不同的细胞中有所不同。可以根据不同细胞中的不同机制详细研究FIS1在细胞中的作用。

FIS1的其他功能

除了在线粒体裂变和线粒体自噬中发挥重要作用外，FIS1在其他方面的作用也日益受到关注。研究表明，FIS1在线粒体呼吸嵴（MRC）的重塑中也扮演重要角色。DRP1-FIS1轴的下调显著损害线粒体自噬，从而阻碍MRC的重塑。FIS1在哺乳动物细胞的过氧化物酶体分裂和形态维持中起重要作用，并参与过氧化物酶体分裂。此外，FIS1与BAP31发生物理相互作用，从而连接线粒体和内质网。这两种蛋白质可以将线粒体和内质网拴在一起，然后招募并激活procaspase-8，传递细胞凋亡信号。

蛋白质的翻译后修饰与线粒体功能

蛋白质的翻译后修饰为单个蛋白质提供了功能多样性和复杂性。翻译后蛋白质的共价加工过程，也称为蛋白质翻译后修饰，涉及将磷酸基团、SUMO基团等修饰基团添加到一个或多个氨基酸残基上，以改变蛋白质的特性，从而影响其空间构象和活性状态、蛋白质定位以及与其他蛋白质的相互作用。蛋白质的翻译后修饰类型繁多，目前主要类型包括磷酸化、糖基化、泛素化、SUMO化、乳酰化、乙酰化等。

蛋白质翻译后修饰的类型

乳酰化修饰

乳酸是细胞内糖酵解反应的主要终产物，长期以来被视为代谢废物。2019年，乳酸诱导的新型PTM——乳酰化修饰首次被报道。组蛋白尾部的赖氨酸残基可以进行乳酰化。乳酰化可以作为组蛋白的一种翻译后修饰，并在基因表达调控中发挥作用。乳酰化修饰受乳酰基转移酶和去乳酰酶的调控。组蛋白是指所有真核生物细胞核中与DNA结合的基本蛋白质的总称，包括核心组蛋白（H2A、H2B、H3和H4）和连接组蛋白（H1和H5）。组蛋白修饰的失调可以改变转录激活和抑制的平衡，从而导致疾病的发生和进展。许多研究表明，微环境中高浓度的乳酸与肿瘤、神经退行性疾病、心血管疾病等疾病密切相关。乳酰化修饰是一个动态可逆的过程，由特定的乳酰基转移酶“书写器”和去乳酰酶“擦除器”共同调控，从而在蛋白质底物的赖氨酸残基上添加或去除乳酰基。

磷酸化修饰

磷酸化是向蛋白质添加磷酸基团的过程。蛋白质磷酸化可以发生在多种类型的氨基酸上，主要发生在丝氨酸（Ser）、苏氨酸（Thr）或酪氨酸（Tyr）残基上，是当前研究最深入的翻译后修饰之一。丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸是真核生物蛋白质中最常被磷酸化的三种残基，比例约为86%:12%:2%。

糖基化修饰

蛋白质糖基化是蛋白质分子在糖基转移酶的作用下通过糖苷键与糖链分子连接形成糖蛋白的过程。在真核细胞中，绝大多数蛋白质糖基化发生在细胞内分泌途径上，蛋白质糖基化在内质网中开始，然后在高尔基体中完成。N-糖基化是真核生物中最常见的糖基化形式，相关研究也最为深入。O-糖基化主要发生在丝氨酸或苏氨酸残基的羟基上，根据起始糖基的不同可分为多种类型。在哺乳动物中，O-糖基化主要分为粘蛋白型和非粘蛋白型。它们的区别在于，在粘蛋白型O-糖基化中，参与蛋白质糖基化的单糖残基是N-乙酰半乳糖胺（GalNAc）。非粘蛋白型O-糖基化修饰始于高尔基体。

泛素化修饰

泛素（Ub）是一种8.5 kDa的小分子蛋白质，由76个氨基酸组成，富含于所有真核细胞中，并且在序列上高度保守。泛素化过程涉及三种酶，称为E1（泛素激活酶）、E2（泛素结合酶）和E3（泛素连接酶），它们在泛素化过程中扮演不同的角色。首先，E1的任务是激活Ub。在E1激活Ub的过程中，需要ATP。然后，激活的Ub被转运到E2。E2将Ub携带至靶蛋白。泛素化是一个动态可逆的过程。去泛素化酶（DUB）可以逆转Ub信号。大多数DUB从蛋白质上移除Ub部分，以防止底物蛋白降解。在正常细胞中，泛素化和去泛素化处于平衡状态。

SUMO化修饰

SUMO化是细胞中一种非常关键的蛋白质翻译后修饰。虽然仅由少量修饰酶催化，但数千种蛋白质可以被修饰，从而改变其功能特性。小泛素样修饰符（SUMO）的修饰方式多样。它可以以一个或多个单体或不同类型的多聚体形式与靶蛋白结合，从而影响蛋白质的活性及其在细胞中的定位。在高等真核细胞中，主要有三种类型的SUMO蛋白（SUMO1、SUMO2和SUMO3）。SUO主要分布在细胞核中。其中，SUMO1分布在核膜、核仁和细胞质中，而SUMO2/3主要分布在细胞质中。去SUMO化受Sentrin特异性蛋白酶（SENP）家族调控。SUMO化过程与泛素化非常相似，因此SUMO修饰也被称为“小泛素化修饰”。与泛素化原理一致，SUMO通过SUMO特异性激活剂（E1）、结合酶（E2）和连接酶（E3）催化产生。SUMO化修饰过程主要包括以下步骤：首先，SUMO通过SENP家族进入成熟状态，然后被E1激活。在激活过程中，同样需要ATP。激活的SUMO通过E2转运至底物。此过程需要E3连接酶促进SUMO与底物蛋白的精确连接，而SENP家族可以从底物上切割SUMO，使底物蛋白恢复到修饰前的状态。SUMO化修饰可以影响蛋白质的表达、定位、稳定性和活性，并参与细胞凋亡、细胞周期、信号转导、免疫识别、细胞增殖和分化等多种生命活动。

乙酰化修饰

蛋白质乙酰化修饰（Acetylation）是在原有蛋白质的基础上，在乙酰转移酶的催化下，将乙酰基转移并添加到蛋白质的赖氨酸残基或N末端的过程。蛋白质乙酰化主要发生在赖氨酸残基上，但乙酰化也可以发生在丝氨酸、苏氨酸和组氨酸残基上。乙酰化修饰主要分为两类：蛋白质N末端的乙酰化修饰和蛋白质赖氨酸上的乙酰化修饰。蛋白质N末端的乙酰化修饰（Nt-acetylation或N-α-acetylation）由高度保守的N末端乙酰转移酶（NAT）催化，将乙酰基转移到蛋白质N末端的α-氨基上。此过程被认为是不可逆的。赖氨酸乙酰化（N-ε-acetylation）是由KAT（赖氨酸乙酰化酶）将乙酰辅酶A的乙酰基转移到赖氨酸的ε-氨基侧链上产生的。此过程是可逆的，可以被赖氨酸去乙酰化酶（KDAC，也称为组蛋白去乙酰化酶HDAC）去乙酰化。研究表明，哺乳动物中存在六种不同的NAT（NatA至NatF）。Nt-乙酰化可以调节蛋白质的稳定性、亚细胞定位和蛋白质-蛋白质相互作用。哺乳动物的KAT根据其细胞定位分为核KAT和胞质KAT。核KAT分为五类：GCN5/PCAF、CBP/p300、基础转录因子、核受体辅激活因子家族和MYST。然而，胞质KAT很少，目前仅发现两种：KAT1和TAT1。KDAC分为四类：I类（HDAC1-3/8）、II类（HDAC4-6、HDAC9-10）、III类去乙酰化酶（SIRT1-7）和IV类（HDAC11）。N-ε-乙酰化在免疫形成、生理节律和记忆中起着重要作用。

蛋白质翻译后修饰对线粒体功能的影响

蛋白质的翻译后修饰（PTM）在调节各种线粒体功能中发挥着不可忽视的作用，包括线粒体动力学（裂变和融合）、线粒体自噬、细胞代谢、细胞凋亡和细胞内信号转导。线粒体蛋白的PTM，如磷酸化、乙酰化、SUMO化、泛素化等，可以深刻影响线粒体的完整性和功能。例如，线粒体裂变和融合蛋白的磷酸化可以改变它们的活性和相互作用，从而影响线粒体网络的形态。乙酰化可以调节参与三羧酸循环和氧化磷酸化的线粒体酶的活性，从而影响细胞的能量产生。SUMO化和泛素化在控制线粒体蛋白的稳定性和降解中起着关键作用，这对于维持线粒体质量控制和应对应激至关重要。这些修饰的失调与多种疾病有关，包括神经退行性疾病、心血管疾病、癌症和代谢性疾病。因此，了解线粒体蛋白PTM的复杂调控网络对于揭示疾病机制和开发新的治疗策略具有重要意义。

FIS1的翻译后修饰及其在疾病中的作用

FIS1可以经历多种蛋白质翻译后修饰，这些修饰在不同疾病中扮演着不同的角色。

FIS1的SUMO化修饰在疾病中的作用

SUMO化是一种重要的翻译后修饰，参与多种细胞过程。FIS1的SUMO化修饰与肺动脉高压（PH）和缺氧诱导的线粒体自噬（HIM）密切相关。长期缺氧会导致缺氧器官损伤，并直接破坏主要氧输送系统的血管网络。事实上，持续性缺氧与许多血管疾病有关，主要发生在动脉，以肺动脉高压（PH）为代表。线粒体稳态在PH过程中右心室和肺血管平滑肌细胞（SMCs）的心肌细胞和成纤维细胞功能中起着至关重要的作用。在长期缺氧模型中，SENP1的减少导致SUMO1修饰的FIS1在K16R或K119R位点的去SUMO化减少，线粒体网络碎片化，线粒体结构破坏，加剧了缺氧诱导的PH的发展。相反，去SUMO化的FIS1在与MFN2结合、增强MFN2寡聚化以形成线粒体相关膜、维持内质网和线粒体中的钙水平以及缓解缺氧诱导的肺动脉高压的发展中起着关键作用。缺氧导致细胞质中SENP3减少和FIS1的SUMO2/3修饰增加。FIS1在细胞线粒体自噬中的作用不容忽视，而SUMO化的FIS1对线粒体自噬发挥抑制作用。SENP3-FIS1轴是缺氧诱导的线粒体自噬（HIM）的关键参与者，并在对抗缺氧诱导的细胞死亡中发挥保护作用。对这一机制的研究为精准防治提供了重要的理论基础。

FIS1的磷酸化修饰在疾病中的作用

过度的线粒体裂变和裂变蛋白FIS1的上调通常参与肿瘤发生和转移。酪氨酸激酶（Met）是肝细胞生长因子（HGF）的受体，在肿瘤的发生和发展中不可或缺。Met高表达水平的患者通常在根治性手术切除后5年生存率较低。在肝细胞癌（HCC）细胞中，Met的高表达也与HCC复发密切相关。通常，Met与线粒体的相互作用相对较弱。在线粒体中，Met与FIS1表现出强烈的相互作用，并且HGF可以进一步增强这种相互作用。Met可以直接磷酸化FIS1的酪氨酸38（Y38），磷酸化的FIS1可以招募DRP1到线粒体外膜并促进线粒体裂变。Met介导的Fis1 Y38磷酸化通过线粒体重分布促进板状伪足或侵袭性伪足的形成，并促进癌症转移。急性肾损伤（AKI）是一种与肾功能不全相关的临床综合征。肾小管细胞特异性删除DNA-PKcs可减轻AKI介导的肾小管细胞死亡，并影响线粒体功能和凋亡通路的作用。FIS1也可以被DNA-PKcs在Thr34位点磷酸化，这种磷酸化增强了FIS1和DRP1之间的相互作用，并参与了急性肾损伤期间肾小管上皮细胞中的线粒体碎片化。抑制DNA-PKcs可以减少FIS1的磷酸化，这可能作为治疗急性肾损伤的潜在策略。

FIS1的泛素化修饰在疾病中的作用

研究表明，常染色体隐性遗传帕金森病（PD）是由DJ-1/PARK7（帕金森蛋白7）突变引起的。在外部刺激下，DJ-1可以易位至线粒体，并在线粒体功能和神经元细胞存活中发挥重要作用。在阿尔茨海默病（AD）患者中，FIS1的蛋白质水平显著升高，并参与神经元细胞死亡。RNF5（RING指蛋白-5）被鉴定为泛素化FIS1的E3连接酶。研究表明，DJ-1/Akt/RNF5信号通路参与FIS1蛋白酶体降解的调控，并与帕金森病中神经元细胞的死亡密切相关。Parkin是一种E3泛素连接酶，可以调节其底物的泛素化和蛋白酶体依赖性降解。FIS1是Parkin介导的泛素化靶标之一，可以被降解。线粒体功能障碍可导致衰老过程。线粒体定位的E3泛素连接酶MARCHF5（也称为MITOL，RNF153）可以直接结合并泛素化FIS1。同时，它调节线粒体动力学蛋白如DRP1和MFN1，并通过维持裂变-融合平衡来控制线粒体形态，参与细胞衰老。

FIS1的乙酰化修饰在疾病中的作用

青光眼是由异常高的眼压引起的视神经病变，导致视网膜和视头氧化应激并诱导细胞凋亡。在线粒体中，NAD依赖性去乙酰化酶Sirtuin 3（SIRT3）是起主要作用的NAD依赖性赖氨酸去乙酰化酶。线粒体蛋白非常丰富，这些蛋白中存在许多乙酰化位点，参与线粒体网络稳态以及线粒体能量学。研究表明，SIRT3可以调节FIS1