综述：氧化还原稳态与铁死亡中的线粒体通透性转换

《Journal of Biological Chemistry》：Mitochondrial permeability transition in redox homeostasis and ferroptosis

　　

线粒体是细胞内活性氧（ROS）的主要来源，并作为维持细胞氧化状态稳态的核心信号枢纽。线粒体通透性转换（MPT）由线粒体外膜通透化（MOMP）与通透性转换孔（PTP）的开放协同介导。MPT 对 ROS 具有高度敏感性，是调控氧化还原平衡与细胞死亡的关键检查点。本文综述了线粒体及细胞内氧化还原稳态的调控系统，以及近年来对 MPT 调控机制认识的最新进展。此外，本文重点阐述了 MPT 在氧化还原稳态和铁死亡中的功能作用。铁死亡是一种铁依赖性、脂质过氧化驱动的细胞死亡形式。PTP 是一个关键的分子开关，其功能可依据开放状态不同，在抵御线粒体氧化还原应激及细胞死亡过程（尤其是被称为铁死亡的铁依赖性、脂质过氧化驱动性细胞死亡）与放大 ROS、促进细胞死亡之间发生转换。MOMP 可导致线粒体呼吸链解偶联并增加 ROS 生成，进而引发氧化应激。最新研究提示，线粒体载体同源蛋白 2（MTCH2）与 F-ATP 合酶（F-ATP synthase）之间的相互作用可协调 MOMP 与 PTP 开放，从而介导 MPT 的发生。本文为理解调控 MPT、决定氧化还原状态与细胞死亡结局的分子开关提供了见解。

Introduction

文章开篇指出，活性氧（ROS）在生理与病理过程中兼具信号与损伤双重属性。适度 ROS 通过蛋白质可逆氧化修饰参与细胞存活、分化、迁移、代谢、免疫应答及创伤修复；而 ROS 过量累积则打破氧化还原平衡，导致脂质、蛋白质与 DNA 的不可逆损伤，并最终诱导细胞死亡。在线粒体生物学背景下，线粒体既是超氧阴离子等 ROS 的主要生成部位，也是调控多类细胞死亡方式的重要枢纽，包括凋亡、坏死性死亡、焦亡以及铁死亡。文章据此提出，线粒体通透性转换孔（PTP）对氧化还原状态高度敏感，其瞬时开放与持续开放分别对应保护性与损伤性后果；同时，线粒体外膜通透化（MOMP）与 PTP 开放存在双向耦联，共同构成线粒体通透性转换（MPT）的核心框架。

Redox homeostasis and ferroptosis

Mitochondrial redox homeostasis

本节系统论述了线粒体氧化还原稳态的来源与维持机制。线粒体通过氧化磷酸化（OXPHOS）提供 ATP，其电子传递链（ETC）在传递电子并建立 H⁺ 电化学梯度的同时，也会发生电子泄漏并生成超氧阴离子。复合体 I 与复合体 III 被认为是形成超氧阴离子的主要位点，其中复合体 I 尤其与基质侧 ROS 生成密切相关；反向电子传递（RET）在辅酶 Q（CoQ）池过度还原及高质子驱动力条件下，可显著增强 ROS 爆发。为应对这类氧化压力，线粒体建立了多层次抗氧化网络，包括超氧化物歧化酶 2（SOD2）、过氧化物还原酶（Prx3/5）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）、谷胱甘肽还原酶（GR）、谷氧还蛋白（Grx）与硫氧还蛋白（Trx）系统等。文章还强调，谷胱甘肽（GSH）、辅酶 Q 及 NAD(P)H 等低分子抗氧化物共同参与维持线粒体内还原环境，而二氢乳清酸脱氢酶（DHODH）和线粒体型 GPx4（mGPx4）则在线粒体膜脂质过氧化防御中发挥关键作用。

该部分进一步指出，NADPH 是线粒体抗氧化系统持续运转的核心电子供体，决定了 GSH 与 Trx 依赖性清除 ROS 的能力。烟酰胺核苷酸转氢酶（NNT）利用内膜两侧质子梯度，将 NADH 的还原力转移至 NADP⁺ 以再生 NADPH，是线粒体 NADPH 的主要来源之一。除 NNT 外，异柠檬酸脱氢酶 2（IDH2）、谷氨酸脱氢酶（GDH）、苹果酸酶 3（ME3）及线粒体一碳代谢途径亦参与 NADPH 补给。作者借此说明，线粒体氧化还原稳态并非单纯的 ROS 清除过程，而是与能量代谢、底物供给及膜电位维持高度耦联的综合调控网络。

Intracellular redox homeostasis

在细胞整体层面，文章将线粒体置于细胞内氧化还原网络中心，强调其与 NADPH 氧化酶（NOXs）、过氧化物酶体、内质网、细胞核及溶酶体之间的协同调节。线粒体来源 ROS（mtROS）可激活 NOXs，形成前馈式 ROS 放大回路；而线粒体强大的抗氧化能力又可抑制这一恶性循环。过氧化物酶体在脂肪酸 β-氧化过程中生成 H₂O₂，并依赖过氧化氢酶迅速清除；其与线粒体共享分裂装置并通过接触位点参与 ROS 与代谢物流转。内质网在氧化蛋白折叠过程中通过内质网氧化还原酶 1（ERO1）与蛋白二硫键异构酶（PDI）产生过氧化物，在未折叠蛋白反应（UPR）期间可显著影响细胞氧化环境。细胞核则依靠 GSH、Trx、超氧化物歧化酶 1（SOD1）及 Nrf2-Keap1 轴维持低氧化状态，保护基因组稳定。溶酶体则通过自噬与线粒体自噬清除受损成分和产 ROS 线粒体，从而降低细胞氧化负荷。该节核心观点在于：线粒体既是 ROS 来源，也是动态“氧化还原汇”（redox sink），通过与其他细胞器的物质与信号互作维持细胞整体氧化还原平衡。

Ferroptosis

本节概述铁死亡的基本特征及其与线粒体的关系。铁死亡被界定为一种由铁依赖性脂质过氧化驱动的调控性细胞死亡，其形态学上区别于凋亡、坏死和自噬，典型表现为线粒体体积缩小、膜密度增加、嵴结构破坏及外膜破裂。其生化基础在于细胞内游离铁通过芬顿反应促进多不饱和脂肪酸（PUFAs）过氧化，并在抗氧化防线受损时造成致死性脂质 ROS 积累。谷胱甘肽过氧化物酶 4（GPx4）被认为是抑制铁死亡最关键的酶，其利用 GSH 还原膜脂氢过氧化物；其中 mGPx4 对保护线粒体磷脂尤为重要。文章同时总结了 GPx4 非依赖通路，包括铁死亡抑制蛋白 1（FSP1）、DHODH、线粒体 GSH 输入相关的 SLC25A39、半胱氨酸/谷氨酸逆向转运体组分 SLC7A11 及 P53 等，强调细胞抵抗铁死亡依赖跨细胞区室、多层次且情境依赖的协同防御体系。

Mitochondrial permeability transition

Mitochondrial outer membrane permeabilization

本节首先讨论 MOMP 的结构基础与调控逻辑。生理条件下，线粒体外膜（OMM）通过电压依赖性阴离子通道（VDAC）等维持小分子和离子的交换；而在应激状态下，外膜高通透化使细胞进入内源性凋亡程序。MOMP 发生后，细胞色素 c 等膜间隙蛋白释放入胞质，激活后续凋亡级联反应。文章重点梳理了 BCL-2 家族在 MOMP 中的主导作用，包括具有促凋亡活性的 BAX、BAK 与 BH3-only 蛋白，以及具有抗凋亡作用的 BCL-2、BCL-XL 等成员。BH3-only 蛋白既可直接促进 BAX/BAK 构象激活，也可通过中和抗凋亡蛋白间接降低 MOMP 阈值。

除 BCL-2 家族外，VDAC、己糖激酶 II（HKII）、心磷脂（cardiolipin）和线粒体载体同源蛋白 2（MTCH2）被概括为决定外膜凋亡阈值的重要平台。VDAC1 既参与代谢交换，又可与 BAX/BAK、BIM、BCL-2、BCL-XL 等相互作用调节膜孔形成；VDAC2 对 BAK 的抑制及对 BAX 介导凋亡的支持，体现了不同 VDAC 亚型的功能差异。HKII 与 VDAC 结合后可竞争性抑制 BAX/BAK 结合，从而发挥抗凋亡效应；当氧化应激或代谢紊乱发生时，HKII 脱离 VDAC，MOMP 更易启动。心磷脂作为线粒体特异性阴离子磷脂，不仅维持呼吸链稳定，而且在应激时重新分布至 OMM，作为 tBID 与 BAX 招募及活化的平台。MTCH2 则作为 tBID 的关键受体，促进其向线粒体转位并增强 tBID-BAX 相互作用，进而推动 MOMP。作者据此指出，MOMP 并非单一蛋白事件，而是由蛋白-脂质-代谢复合网络共同调控的线粒体外膜命运转换过程。

Mitochondrial permeability transition pore

此节详细介绍 PTP 的性质、调节因子及潜在结构基础。PTP 被定义为位于线粒体内膜（IMM）的高电导、非选择性通道，其短暂或闪烁式开放（tPTP）有助于释放过量 Ca²⁺、ROS 与代谢物，维持稳态；持续开放则会导致去极化、基质肿胀及细胞死亡。文章总结了影响 PTP 开闭转换的关键因素，包括基质 Ca²⁺、ROS、无机磷（Pi）、NAD(P)⁺/NAD(P)H 状态、pH、跨膜电位（Δψm）、谷胱甘肽氧化还原状态以及亲环素 D（CyPD）等。CyPD 可增强 PTP 对 Ca²⁺ 的敏感性，而环孢素 A（CsA）通过使 CyPD 解离而抑制孔道开放；巯基氧化、GSH 耗竭与 NADPH/NADH 氧化均有利于 PTP 进入开放构象，体现其对氧化还原状态的高度耦联。

关于 PTP 的结构来源，文章重点综述了 F-ATP 合酶模型。F-ATP 合酶由 F₁ 与 F_O 两大功能区及中央柄、外周柄等亚基组成，其二聚化及特定亚基构象变化被认为与 PTP 形成密切相关。OSCP 被确定为 CyPD 的结合位点，亚基 e、g、f、j 以及 IF1 在二聚体稳定性和孔道敏感性中发挥关键作用。多项遗传与生化证据支持：当 F-ATP 合酶二聚化受损时，PTP 对 Ca²⁺ 的敏感性下降，高电导孔道形成受阻。与此同时，腺嘌呤核苷酸转位酶（ANT）被描述为另一条与 CsA 敏感性相关的低电导通透途径，提示 PTP 可能具有多组分或多状态特征。总体而言，作者倾向于认为 F-ATP 合酶是高电导 PTP 的关键基础，而 ANT 则构成相关但不同的低电导通道。

Cooperative functions of MOMP and the PTP opening

本节强调 MOMP 与 PTP 开放并非彼此独立，而是 MPT 的两个相互耦联维度。MOMP 可在无明显基质肿胀时发生，但它会破坏线粒体结构与代谢稳态，导致 OXPHOS 解偶联、ATP 枯竭、Δψm 下降以及 mtROS 增加，进一步诱发 ROS 诱导的 ROS 释放（RIRR）并促进持续性 PTP 开放。另一方面，PTP 持续开放允许相对大分子溶质跨越 IMM，引发基质肿胀和 OMM 破裂，从而继发 MOMP。因此，二者之间形成双向促进关系。

文章在这一部分特别突出了 MTCH2 的桥梁作用。既往研究多将 MTCH2 视为 tBID 的线粒体受体和 MOMP 促进因子，而最新研究进一步表明，MTCH2 可与 CyPD 结合，并通过与 F-ATP 合酶 j 亚基相互作用促进酶复合体二聚化，从而调控 PTP 活性。作者据此提出，MTCH2 与 F-ATP 合酶的互作可协调 OMM 与 IMM 层面的通透性变化，使 MOMP 与 PTP 开放共同驱动 MPT 的发生。这一观点为“为何 OMM 完整性会影响 PTP 开放”提供了分子层面的解释。

MPT in redox homeostasis and ferroptosis

本节是全文的功能整合部分。作者认为，MPT 尤其是由 PTP 介导的状态转换，是连接线粒体氧化还原稳态与铁死亡的关键分子开关。tPTP 在轻度或生理性应激下通过短暂开放释放过量 Ca²⁺ 与 mtROS，缓解 ETC 过度还原，抑制 RET，促进 NADH 氧化并维持 NADH/NAD⁺ 平衡，从而减少 mtROS 产生并保存 GSH 水平。这一过程还与线粒体闪烁（mitoflashes）及红氧信号调控相关，使 tPTP 具有适应性“管家功能”。

相反，PTP 持续开放则导致 Δψm 崩溃、ATP 耗竭、ROS 爆发及抗氧化系统失活。由于 NNT、IDH2、ME3 等依赖线粒体功能维持 NADPH 再生，PTP 持续开放会造成 NADPH 供应中断，继而使 GSH 再生和 Trx 还原酶活性受阻，最终引发整体氧化还原崩溃。伴随 mtROS 释放及 NOXs 激活，细胞进入 ROS 正反馈放大状态。围绕铁死亡，作者强调 tPTP 具有保护作用：其释放 mtROS 至胞质，可防止基质内 ROS 过度积聚和线粒体脂质过氧化，从而构成对抗铁死亡的另一线粒体防线。与此一致，CyPD、MTCH2 或 F-ATP 合酶 j 亚基受损会抑制 tPTP，并增强 RSL3 诱导的铁死亡，而该效应可被线粒体超氧清除剂缓解。反之，PTP 持续开放将加速 NADPH 崩溃、GSH 耗竭、GPx4 功能障碍及脂质过氧化，从而推动铁死亡进展。

Conclusion

结论部分概括指出，线粒体是维持氧化还原稳态和决定细胞死亡命运的中心枢纽。PTP 依据开放模式不同，可在保护性与致死性之间切换：tPTP 有助于限制 mtROS 积聚、维持代谢与存活；持续开放则放大 ROS 并耗竭抗氧化储备。MOMP 通过诱导 OXPHOS 解偶联和促凋亡因子释放参与死亡程序，而其与 PTP 的双向互作共同构成 MPT 的本质。新近关于 MTCH2 与 F-ATP 合酶 j 亚基互作的发现，进一步把 OMM 与 IMM 上的分子事件整合到统一机制中。作者由此认为，阐明 MPT 的调控机制，将为肿瘤、神经退行性疾病等多种病理状态提供潜在干预靶点。