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在氧化应激相关疾病中，Fis1 介导的线粒体过度分裂及功能障碍机制不明。研究人员针对 Fis1 展开研究，发现其 α1 螺旋构象变化会暴露 Cys41，进而形成二聚体促进线粒体分裂。同时，发现小分子 SP11 可抑制这一过程，为相关疾病治疗提供新思路。
线粒体作为细胞的 “能量工厂”，在维持细胞正常功能中起着至关重要的作用。它就像一个忙碌的发电站，源源不断地为细胞的各种活动提供能量。然而，当细胞遭遇氧化应激时，线粒体的正常功能就会受到威胁，这就好比发电站遭遇了恶劣天气，出现了故障。
在许多与氧化应激相关的人类疾病中，Fis1 介导的线粒体定位的 Drp1 以及过度的线粒体分裂现象频繁出现。但是，目前人们并不清楚 Fis1 是如何检测到氧化应激的，也不知道它发生了哪些结构变化，从而能够招募 Drp1 到线粒体上，导致线粒体过度分裂和功能障碍。这种未知就像一层迷雾，笼罩着科研人员，阻碍了相关疾病治疗方法的开发。
为了驱散这层迷雾，来自斯坦福大学医学院等机构的研究人员展开了深入研究。他们致力于探索 Fis1 在氧化应激下的作用机制，以及寻找能够干预这一过程的方法，为相关疾病的治疗带来新的希望。
经过一系列艰苦的研究工作，研究人员取得了重要的成果。他们发现，Fis1 的 α1 螺旋发生构象变化时，会暴露其唯一的半胱氨酸 Cys41。在氧化应激的环境下，暴露的 Cys41 会形成二硫键，使得 Fis1 形成共价同源二聚体，进而增加 Drp1 向线粒体的招募，导致线粒体过度分裂。此外，他们还发现了一种小分子 SP11，它能够特异性地结合激活状态下的 Fis1 上的 Cys41，抑制 Fis1 的功能。在细胞实验中，SP11 能够有效抑制氧化应激诱导的线粒体 ROS 生成、线粒体分裂以及 Drp1 向线粒体的定位，保护线粒体的完整性和功能。这一发现意义重大，为开发治疗 Fis1 介导的线粒体碎片化和功能障碍相关疾病的药物提供了潜在的候选分子。该研究成果发表在《Nature Communications》上，引起了科学界的广泛关注。
研究人员为开展此项研究，运用了多种关键技术方法。在结构研究方面，通过分子动力学（MD）模拟、X 射线晶体学以及小角 X 射线散射（SAXS）等技术，深入探究 Fis1 在不同状态下的结构变化。在功能验证方面，构建多种细胞模型，如 HK - 2 细胞、Be (2)-M17 细胞和 Fis1 敲除的小鼠胚胎成纤维细胞（MEFs）等，利用线粒体 ROS 检测、线粒体形态分析、免疫印迹等实验技术，研究 Fis1 及 SP11 对线粒体功能和相关蛋白定位的影响。
研究结果
- Fis1 的 N 端区域具有动态性：通过 MD 模拟野生型（WT）Fis1 发现，其 N 端前 10 个氨基酸极度灵活，α1 螺旋（aa 11 - 26）及 α1 - α2 螺旋转角处（aa 27 - 31）的残基波动较大。Fis1 在 Thr34 或 Tyr38 位点的磷酸化会使 N 端更加灵活，α1 螺旋的构象发生变化，这表明磷酸化可能影响 Fis1 的功能。
- α1 螺旋在 Fis1 激活时发生构象变化：MD 模拟显示，磷酸化形式的 Fis1 中 α1 螺旋的完整性受到破坏，其形成 α - 螺旋结构的倾向降低。X 射线晶体结构也表明，磷酸化模拟突变体中 α1 螺旋缺失或发生位移，而野生型中 α1 螺旋完整，进一步证实了 α1 螺旋在 Fis1 激活时发生显著构象变化。
- 构象变化暴露 Cys41：人 Fis1 蛋白仅含有一个半胱氨酸 Cys41，MD 模拟和实验表明，磷酸化使 Cys41 更易暴露于溶剂中。用荧光探针 CPM 检测发现，磷酸化模拟突变体中 Cys41 的荧光信号显著高于野生型，说明其暴露程度增加，这为 Cys41 参与后续反应提供了可能。
- Cys41 可氧化并介导 Fis1 共价同源二聚化：研究发现，磷酸化模拟突变体的 Fis1 可形成由 Cys41 二硫键介导的共价二聚体，在体外实验和细胞实验中均得到证实。这种二聚体暴露的疏水表面有利于蛋白间相互作用，而野生型 Fis1 主要形成非共价二聚体，二者结构存在差异，暗示了不同的功能状态。
- 基于结构设计筛选特异性抑制剂：根据 Fis1 的结构特点，研究人员设计了以 CPM 为基础的筛选实验，发现小分子 SP11 能特异性地与激活状态下 Fis1 的 Cys41 共价结合，抑制 Fis1 的功能，且结合具有较强的特异性和较高的亲和力。
- SP11 抑制 Fis1 介导的病理过程：在细胞实验中，SP11 能够有效抑制氧化应激诱导的线粒体 ROS 生成、线粒体分裂以及 Drp1 向线粒体的定位。在不同细胞模型中，如 HK - 2 细胞、Be (2)-M17 细胞和 Fis1 KO MEFs 细胞，均观察到 SP11 对线粒体功能的保护作用，且这种作用依赖于 Fis1 上的 Cys41。
研究结论与讨论
本研究揭示了 Fis1 在氧化应激下激活并招募 Drp1 的分子机制，即 Fis1 的 N 端 α1 螺旋构象变化暴露 Cys41，进而介导 Fis1 的共价二聚化，促进 Drp1 招募和线粒体分裂。同时，发现小分子 SP11 可特异性抑制激活状态下的 Fis1，有效保护线粒体功能，为相关疾病的治疗提供了新的潜在靶点和候选药物。
此前，针对小的膜结合支架蛋白的小分子抑制剂研究较少，这类蛋白被认为 “难以成药”。而本研究利用结构生物学的见解，成功设计出筛选激活状态下 Fis1 特异性抑制剂的方法，为攻克这类难题提供了新的策略。此外，虽然 SP11 展现出良好的抑制效果，但它是一种不可逆抑制剂，且可能存在脱靶效应，需要进一步研究优化。
Fis1 - Drp1 相互作用在多种疾病，如帕金森病、亨廷顿病、心脏缺血再灌注损伤等中发挥着重要作用。阻断这一相互作用有望成为纠正线粒体动力学失调、缓解相关疾病的有效策略。未来，需要进一步深入研究 Fis1 的功能，以及开发更安全、有效的靶向 Fis1 的治疗药物，为人类健康事业做出更大的贡献。
