《Annual Review of Biophysics》：Mitochondrial Outer Membrane Voltage-Dependent Anion Channels: Unique Structures, Distinct Functions, and Novel Therapeutic Targets
电压依赖性阴离子通道（VDACs）是线粒体外膜（OMM）中的通道蛋白，可执行代谢物和离子的双向流动，并作为细胞质与线粒体之间通讯的第一道屏障。研究人员现已认识到VDACs对于线粒体功能和细胞稳态、线粒体-内质网通讯、脂质和胆固醇生物合成、Ca2+稳态以及线粒体介导的细胞凋亡均不可或缺。VDACs的独特结构特征在氧化还原调控中也具有重要作用。VDACs与淀粉样蛋白-β（Aβ）、α-突触核蛋白（αSyn）、Tau蛋白或微管蛋白的相互作用可导致神经退行性病变。研究人员在此提供了对VDACs的结构、亚型特异性分子功能、细胞相互作用组、变异和独特调控元件的深入见解，以及它们对人类广泛疾病负担（如癌症和神经退行性疾病）的直接影响。研究人员讨论了如何通过推断VDACs的亚型特异性结构-功能研究，为下一代诊断引导治疗药物的成功开发提供潜力。
线粒体作为真核生物通过化学能维持生命的"动力工厂"，在生物系统中执行着众多至关重要的细胞和信号功能。这一双膜细胞器具有特征明确的线粒体内膜（IMM）和研究较少的外膜（OMM）。OMM组分是细胞质与线粒体之间通讯的第一道屏障。通过选择性通透并沿电化学梯度调控（生物）分子和离子的流动，线粒体支配着细胞健康和稳态。OMM通过称为电压依赖性阴离子通道（VDACs）的蛋白质通道实现这种选择性通透。
VDACs在所有OMM中普遍存在。尽管VDACs与常规细菌孔蛋白共享β-桶（β-barrel）结构，但VDACs独特的拓扑结构（19条β-链）和电压门控行为使其与已知含有偶数条 β-链且缺乏电压敏感性的细菌孔蛋白区别开来。迄今为止，尚未发现VDAC的直接细菌同源物，这表明VDACs是伴随着线粒体功能进化而来的、OMM特有的专门化离子通道。VDACs在动物界和植物界表现出显著的序列多样性和多种亚型。例如，酵母拥有POR1和POR2，这是与人类VDACs具有约50%序列同一性的进化同源物。POR1在非允许生长条件下对酵母存活更为重要，而POR2则基本非必需。真兽亚纲哺乳动物拥有VDAC1、VDAC2和VDAC3，共享约70%序列同一性且广泛表达。亚型表达水平受适应性调控：在HeLa细胞中，人VDAC1（hVDAC1）蛋白水平分别是hVDAC2和hVDAC3的10倍和100倍。hVDAC1普遍丰富，在肌肉和心肌中含量最高；hVDAC2在脑组织、心肌和胎盘内皮中升高；hVDAC3在睾丸中最高。hVDAC2不仅为真兽亚纲哺乳动物特有，还在线粒体稳态（mitostasis）和凋亡调控中具有独特的兼职功能。
VDACs的发现和表征确立了真核生物中β-桶膜蛋白的存在，并促进了其他OMM β-桶的发现，包括TOM（线粒体外膜转位酶）复合物的Tom40、SAM（分选和组装机制）复合物的Sam50、线粒体-内质网（ER）接触位点（MERCSs）组分，以及低等真核生物中的线粒体分布和形态蛋白Mdm10 β-桶。通过生物化学方法和冷冻电子显微镜结构，研究人员已阐明VDAC通过Tom40输入OMM并通过Sam50折叠的机制。
尽管取得若干进展，关于该通道的起源、19条链结构的意义、对独特OMM脂质膜的适应和调控，以及生理和疾病状态下的功能相互作用组等问题仍有待充分理解。研究人员在此讨论VDAC功能和相互作用组的已知方面，并强调VDAC表征中对于下一代诊断引导治疗药物至关重要的缺失环节。
**VDAC的发现历史**
1957年，OMM具有非特异性渗漏特性的观点受到挑战，研究表明OMM对大分子多糖不通透。1965年，电子显微镜显示植物OMM中存在密集排列的负染色填充的28?孔aras孔道。1975年，研究人员在植物OMM的X射线衍射图像中显示了坑状结构的独特存在，对应于OMM中约50%的约30 kDa蛋白质。这些孔形成坑状结构确立了OMM并非渗漏。1976年，Colombini及其同事从Paramecium aurelia膜中重组了VDAC，该通道在低电压（≤±40 mV）和高电压（≥±40 mV）下分别可逆地在开放态（约4.0 nS电导）和亚电导态（约2.0 nS电导）之间切换。这是首个通过将重组方法与脂双层膜单通道电生理学测量相结合来表征的固有线粒体膜通道。
结构上，VDACs与普遍存在的跨膜螺旋膜蛋白不同，采用β-桶支架。1987年首次用Delphi算法预测，1990-2000年间利用电子显微镜成像、序列分析和诱变、分子建模以及生物化学和生物物理学研究进行的结构表征预测VDACs具有12-16条链的β-桶结构。2008年，利用多维核磁共振波谱学和X射线晶体学研究确定了这个线粒体β-桶具有独特的19条链结构，并带有两亲性膜外N端螺旋。从不同物种和不同条件下分析的VDAC结构验证了19条链β-桶是VDAC的天然形式。原子力显微镜和天然OMM的高分辨率电子显微照片显示VDAC孔道尺寸为34-38 ?。天然制备物和体外折叠蛋白质的电生理学特征完全相同。
首条和末条链形成平行氢键以实现β-桶闭合。固态核磁共振研究还鉴定了β-桶的两种结构形式——圆柱形和椭圆形，这解释了VDACs在电生理学测量中观察到的高电和低电导状态。开放（脱辅基）态通过19条链β-桶孔道双向流动高达约5.0 kDa的代谢物和离子来维持细胞稳态，对阴离子有偏好。亚电导态为阳离子选择性，显示Ca
2+通过孔道的流动，尽管也存在具有阳离子选择性的开放态。电生理学测量和体内互补实验确立了N端螺旋作为电压传感器以及圆柱形和椭球形结构的调节器。
**VDACs的结构和门控特征**
VDACs在体外显示开放（高电导）和亚电导态之间明显的电压依赖性门控。已知还存在显著限制ATP/ADP流动的更低电导关闭态。在生理条件下，OMM两侧的电位通常仅为数毫伏，大规模的电压诱导转换不太可能，VDACs保持主要开放以进行代谢物交换。
然而，这一假设受到挑战。一些研究表明，即使在低膜电位下，相当比例的VDACs可能处于关闭或部分关闭状态，受蛋白质-蛋白质相互作用和代谢线索而非单独电压调控。例如，微管蛋白-VDAC结合可在小于10 mV时诱导VDAC关闭。此外，NADH、己糖激酶和Bcl-2家族蛋白等因素也调控VDAC门控。因此，细胞可能通过非电压机制利用生理、代谢和凋亡线索动态调控VDAC通透性。OMM中VDACs的丰富性及其在代谢物流动中的功能优势使VDACs被称为"mitochondrial governators"。
所有VDAC亚型均为19条链跨膜β-桶，具有动态停靠在β-桶腔内的两亲性膜外N端螺旋。人VDACs在结构和序列上与酵母POR1（约50%）和POR2（hVDAC1为36%，hVDAC2为23%）相似。用hVDACs互补POR1耗竭的酵母使得能够详细绘制跨亚型在代谢物流动和通道门控方面的结构和功能差异。这些研究确定了额外N端延伸（NTE）的功能作用以及hVDAC2亚型特有的膜间隙半胱氨酸异常丰富的特性。因此，hVDAC2对电压门控调控的反应不如hVDAC1稳健，且其额外采样多个亚电导态。斑马鱼VDAC2中分散在负电荷斑块中的正电荷残基也允许该亚型转运Ca
2+和胆固醇。
hVDAC1和hVDAC2共定位于OMM-IMM连接处，而hVDAC3分布均匀。所有三个VDAC亚型参与多样化的相互作用组；然而，hVDAC2独特地与特定伙伴相互作用，如BAK，这奠定了其在维持线粒体稳态中的关键作用。hVDAC3体外通道活性较差，表征较少。OMM脂质组成的改变可伴随线粒体应激，触发细胞向疾病状态转变。因此，所有VDAC亚型检测OMM脂质微环境变化并调节其功能的能力具有根本重要性和治疗诊断相关性。
与VDAC1和VDAC3不同，VDAC2在其N端具有额外的11个残基延伸。NTE在体外很大程度上无结构，体内可能也是如此。它对hVDAC2的稳定性和功能至关重要，对富含半胱氨酸的hVDAC2 β-桶的稳定性必不可少。NTE在半胱氨酸不存在时可丢弃，无NTE的VDAC2在体外显示更对称的门控。NTE在体内具有相关性，任何VDAC亚型中NTE的存在均增强细胞存活和对ROS应激的适应。分子动力学模拟显示NTE的动态占据，同时也揭示了VDAC1 N端螺旋正电荷残基在ATP通道化中的作用。这种动态性允许NTE拾取带负电荷的ATP并将其传递给桶入口，增强ATP流动。
**VDAC相互作用组和功能调控因子**
OMM作为线粒体与细胞微环境所有组分之间通讯的第一道屏障。除了其维持双向代谢物流动（包括ATP、ADP、N reson NADH、NAD
+、Ca
2+）沿化学梯度跨越OMM的经典角色外，VDACs通过关键呼吸底物如磷酸盐和琥珀酸的被动流动影响线粒体呼吸和氧化还原平衡，通过离子通透性调节线粒体体积和OMM两侧的pH/电位差，并帮助整合代谢和凋亡信号。POR1缺失酵母显示OMM对NADH的通透性降低20倍，NADH结合的VDAC孔道通过空间位阻和静电排斥诱导关闭通道状态。
尽管VDACs主要以其双向代谢物流动而知名，由于其独特的相互作用组，它们还显示额外功能。这些包括与metaxin 2、促凋亡蛋白Bcl-xS、内皮一氧化氮合酶、糖原合成酶激酶3β（GSK3β）、微管蛋白、凋亡调节因子Mcl1、肌醇1,4,5-三磷酸受体（IP3R）和RACK1（活化C激酶受体1）的相互作用。由于其多样化的相互作用组和在OMM中的高丰度，VDACs也曾被非特异性或在特定情境下共同分离。例如，VDACs曾与肌酸激酶和腺嘌呤核苷酸转位酶（ANT）一起作为线粒体接触位点的组分被共同分离。开放的VDACs对肌酸/肌酸激酶能量穿梭的有效运作至关重要。
研究人员在蛋白质易位中的角色中，研究表明POR1在调控酵母TOM活性中具有关键作用。TOM复合物动态地在三聚体和二聚体状态之间转换，二聚体TOM对特定IMM蛋白的输入至关重要。POR1主动隔离新输入的Tom22，触发三聚体向二聚体转换以输入膜间隙蛋白。因此，POR1在选择性蛋白质转位进入线粒体中发挥关键作用；hVDAC1和hVDAC2可能执行与POR1相似的功能。
POR1还作为OMM和IMM之间载体输入途径的独特耦合因子，促进胞质合成的疏水多跨膜蛋白靶向转位进入IMM。在蛋白质通过TOM转位穿过OMM后，α-螺旋代谢物载体前体结合膜间隙中的分子伴侣。POR1将这些前体-伴侣复合物招募到IMM的特定蛋白质转位酶复合物，促进其后续输入。此处，POR1对代谢物流动至关重要的残基与参与载体蛋白输入的残基不同，确立了VDACs已进化出双重功能，在代谢物流动和作为特定IMM蛋白生物发生的促进剂中发挥作用。
在人类中，VDACs还与病理标志性蛋白质向线粒体的转位相关。例如，研究提供了VDACs与内在无序的αSyn（帕金森病的标志）之间高亲和力相互作用的机制理解。这种VDAC-αSyn相互作用可能导致αSyn输入并在线粒体中积累，并可能作为帕金森病病理发展的早期事件。
**VDACs在脂质代谢中的作用**
VDACs在线粒体磷脂合成和代谢中的作用直到2018年才被确定。线粒体基因组缩减导致从内质网输入脂质前体。磷脂酰胆碱、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰肌醇、磷脂酸和甾醇不在线粒体中合成而是输入，而心磷脂则特异性地在IMM内小叶中从磷脂酸前体合成。该前体以及用于磷脂酰乙醇胺合成的磷脂酰丝氨酸通过OMM从内质网运输到IMM。Mdm31（IMM蛋白）和Mdm35（膜间隙蛋白）分别需要用于脂质向IMM的运输和跨膜间隙的运输。VDACs被提议促进磷脂跨外膜运动，可能作为连接ER和线粒体膜的更大转移复合物的一部分。在此过程中，POR1的环1与Mdm31和Mdm35相互作用，环5额外与Mdm31相互作用。HeLa细胞中VDAC1和VDAC2的双敲低降低了心磷脂水平，突显了VDACs在真核生物磷脂代谢中的作用。这些发现与VDAC作为脂质翻转酶（一种介导脂质在膜小叶之间双向转位、破坏脂质不对称性的跨膜蛋白特性）的鉴定相结合，表明VDACs从酵母到人类在磷脂代谢中的保守和重要作用。当前结构和生化证据支持一种模型，其中二聚体VDAC形成适合脂质运动的亲水性沟槽。VDAC被显示在体外具有稳健的、不依赖ATP的、非选择性的磷脂转位活性，表明其生物学相关的翻转酶作用。VDACs进一步参与通过OMM的脂肪酰肉碱转运。在大鼠肝脏组织中，VDAC1是由长链酰基辅酶A合成酶和肉碱棕榈酰转移酶1组成的蛋白复合物的组分。
**VDACs在活性氧中的作用**
线粒体电子传递和氧化磷酸化是细胞ROS的主要来源，使线粒体ROS的泄漏成为细胞组分氧化损伤的主要问题。虽然VDAC孔道足够大以允许自由基的被动扩散，但氧化损伤在生理条件下被主动抑制。VDAC半胱氨酸在线粒体ROS水平升高期间暂时经历氧化修饰并减轻氧化损伤，这种氧化还原修饰发生在亚型2和3中。VDAC2与VDAC1共定位于OMM和IMM之间形成的线粒体接触位点以促进从膜间隙到细胞质的快速ATP输出。电子传递链复合物I和III是ROS（超氧化物）产生的主要位点，在线粒体基质和膜间隙中产生ROS。VDAC2在这些接触位点作为ROS传感器，当局部线粒体ROS水平升高时触发通道关闭。因此，VDAC通过其半胱氨酸残基减轻氧化应激，并随之帮助保护细胞组分免受过量线粒体ROS损伤。大脑和心脏是最耗能的器官，因此ROS在神经元和心肌细胞中的产生也很高。此外，受损神经细胞中不发生神经再生。VDAC2的抗凋亡性质及其作为ROS清除剂的作用可能是这些重要细胞中VDAC2丰富度的可能原因。
在极端氧化应激下，GSK3β从细胞质转位到线粒体，定位于IMM，部分暴露于基质。一旦到达IMM，GSK3β调节线粒体通透性转换孔（mPTP）的开放，mPTP是IMM中的非选择性通道，其Ca
2+依赖性和亲环蛋白D促进的开放增加膜通透性，导致线粒体肿胀、外膜破裂和细胞死亡。虽然VDAC2通过TOM复合物促进GSK3β转位，但它本身不是孔道的结构组分。GSK3β转位导致VDAC2表达水平增加三倍。VDAC2（而非VDAC1或VDAC3）的敲低减弱氧化应激下GSK3β向线粒体的转位，突显VDAC2在促进GSK3β输入中的作用并验证VDAC2作为重要氧化还原应激调节因子的角色。据推测，erastin通过反馈机制参与耐药癌细胞系中VDAC2的降解，其中erastin与VDAC2的结合增加ROS产生，最终触发VDAC2泛素化和降解。
**VDACs在细胞凋亡中的作用**
凋亡是一种依赖能量且复杂调控的程序性细胞死亡形式。对维持生命至关重要，凋亡确保细胞发育、细胞稳态维持和免疫系统调控。凋亡途径可以是内在的或外在的，取决于触发源是细胞外还是细胞内。内在途径由线粒体介导，由内部细胞应激驱动，而外在途径由细胞膜上的死亡受体信号启动。两种途径均导致半胱天冬酶激活和受控的细胞死亡。细胞微环境的扰动，包括DNA损伤、生长因子剥夺、缺氧应激、ER应激、过量ROS、复制应激、微管改变或有丝分裂缺陷，触发内在凋亡途径。外在凋亡由死亡配体与死亡受体结合启动，触发下游半胱天冬酶-8激活。
内在途径通过激活促凋亡Bcl-2蛋白触发线粒体相关凋亡。该级联反应最终导致细胞色素c从线粒体膜间隙通过OMM通透化转位到细胞质。OMM通透化由Bcl-2家族蛋白在OMM中的定位及其随后的同源寡聚化和与VDAC的异源寡聚化调控。此处，VDAC1和VDAC2呈现相反作用。VDAC1优先与己糖激酶而非Bax/tBid异源寡聚化，抑制其促凋 Little Rock凋亡性质。相反，VDAC2结合并隔离Bak于OMM中，阻碍Bak同源寡聚化；因此，VDAC2是抗凋亡的。Bak结合被映射到小鼠VDAC2的残基123-179（β7-β10）；该区域（残基168-171）也与tBid诱导的OMM通透化相关。小鼠VDAC1和斑马鱼VDAC2晶体结构的比较揭示，VDAC1连接β8-β9的环在结构和空间上不同于VDAC2 β10-β11环的区域，这 presumably改变了它们与己糖激酶和Bak的蛋白质-蛋白质相互作用。另一研究还成功将VDAC2-Bak相互作用映射到hVDAC2 β10-β11环的保守A171残基，突显了环残基在VDAC介导的相互作用组中的重要性。
VDAC3在OMM通透化中的作用仍不清楚。然而，研究将VDAC2和VDAC3都与erastin结合任一亚型触发的铁死亡（铁依赖性凋亡）联系起来。Erastin诱导E3泛素连接酶Nedd4的表达，导致VDAC2/VDAC3泛素化和降解，最终导致耐药性。Nedd4水平降低增强癌细胞对erastin的敏感性，为克服铁死亡激活剂中的药物耐药性提供了见解。
**VDACs在神经退行性疾病中的作用**
人类高级认知和相关功能需要增加的能量代谢。人脑至少利用身体总ATP的20%，强调神经功能和神经元活动对ATP产生、线粒体能量学和线粒体Ca
2+调节的复杂依赖。毫不奇怪，构成最高能量需求的突触显示线粒体数量升高。线粒体还特异性调节突触前神经元信号、突触传递和离子稳态，从而直接将神经稳态与线粒体稳态联系起来。因此，线粒体功能障碍直接与神经功能障碍相关，VDACs被牵涉到神经退行性疾病的发病机制中，特别是阿尔茨海默病、帕金森病和肌萎缩侧索硬化症（ALS）。VDACs为神经退行性病变标志性分子（即淀粉样蛋白-β（Aβ）、微管蛋白、微管蛋白相关单元（Tau）、αSyn和超氧化物歧化酶1（SOD1））的结合和错误输入提供相互作用位点。虽然精确的结合位点尚未被绘制，但这些相互作用导致线粒体异常，成为神经退行性病变初级阶段的关键事件。
阿尔茨海默病显示Aβ和Tau作为斑块和缠结在大脑组织细胞外环境以及包括线粒体膜间隙和嵴在内的细胞内位点中的进行性积累，阻碍神经解剖学和认知。共免疫沉淀研究显示VDAC1的细胞质表面作为Aβ单体、Aβ寡聚体、全长Aβ前体蛋白和过度磷酸化Tau的主要结合位点。虽然复杂化的精确结合位点和调控机制尚待确定，但这些相互作用改变了VDAC的功能。单体Aβ1-42和磷酸化Tau通过阻断孔道损害VDAC1电导，而寡聚Aβ1-42通过形成同源寡聚体和异源寡聚体增加VDAC孔道尺寸来增强VDAC1电导。任一结果均破坏VDAC的典型结构和功能并刺激线粒体功能障碍、细胞凋亡和神经炎症。在转基因Tau小鼠模型中，VDAC1表达的部分降低消除了线粒体的形态学和生理学缺陷。它恢复了ATP产生，从而改善空间学习和记忆以及突触和树突棘形态。除VDAC-Aβ/Tau相互作用外，由病理状态驱动或在病理状态期间发生的异常翻译后修饰，包括羰基化、脱酰胺、去磷酸化、过度亚硝基化、S-亚硝基化、硝化、过氧化、琥珀酰化和泛素化，均对VDAC功能产生负面影响。所有三个VDAC亚型都经历与神经退行性病变病理相关的此类异常修饰，且许多此类翻译后修饰也被牵涉到癌症、缺血-再灌注损伤和代谢应激等其他病理背景中。
帕金森病在起源上松散遗传，通常为散发性，特征为黑质致密部多巴胺能神经退行性病变和αSyn在与Aβ相同位点的聚集形成路易体和神经突。帕金森病的发病机制也通过涉及至少约23个PARK染色体位点中至少一个突变的不同级联发生。αSyn、Parkin和PINK1是研究最多的PARK位点编码蛋白。免疫复合化实验显示VDAC作为这些蛋白的主要结合位点。MERCSs通过建立IP3R（ER）、细胞质葡萄糖调节蛋白75（GRP75）和VDAC之间的栓系复合物来调控线粒体-ER Ca
2+稳态。全长Aβ前体蛋白和αSyn均通过该栓系复合物调节Ca
2+流入，对MERCS介导的Ca
2+稳态很重要。这些蛋白的表达改变或突变破坏相关生理学，导致Ca
2+过载和ER应激，导致海马退化。αSyn可以独立结合负电荷的线粒体膜，触发其错误输入线粒体区室。反过来，这损害复合物I，阻碍电子传递链和ATP合成，增加膜间隙ROS水平，并导致线粒体应激。VDACs通过其膜间隙面向半胱氨酸的氧化修饰抵消ROS相关损伤。单通道测量证明αSyn与hVDAC2和小鼠VDAC在纳摩尔浓度下的可逆结合，其通过VDAC的转位，以及这种αSyn-VDAC复合物损害酵母生长的能力。这种αSyn损害的VDAC门控还增加Ca
2+通透性，导致α-突触核蛋白病变中的功能障碍。
VDAC1相关的Parkin是泛 Fields泛素化的关键底物。VDAC1在特定赖氨酸残基上的单泛素化和多泛素化（果蝇K273；人K274）是作为对抗帕金森病病理发展的细胞保护的关键调控机制。VDAC1多泛素化缺陷阻碍线粒体自噬，而单泛素化缺陷诱导细胞凋亡。PINK1-Parkin关联对通过自噬控制缺陷线粒体至关重要，所有VDAC亚型独立且冗余地发挥作用以促进这种控制。PINK1-Parkin靶向和泛素化途径中的缺陷，特别是在多巴胺能神经元中，导致帕金森病，并与VDAC1的促凋亡性质密切相关。
ALS是第三常见的神经退行性疾病，特征为成年发作性脑干和脊髓上下运动神经元的选择性退化，影响神经运动和认知功能。与帕金森病类似，ALS为散发性且很少为遗传性，其病理需要两个关键分子事件，即SOD1突变和由于突变导致的SOD1错误折叠。迄今为止，超过185个错义突变，均等地分布在五个外显子上，导致ALS发展。共免疫沉淀研究已鉴定VDAC1细胞质面与突变/错误折叠SOD1之间的相互作用。例如，SOD1突变体G93A和G85R与VDAC1相互作用并阻断VDAC1通道功能，降低通道电导，并在高电压刺激下触发不稳定门控，从而导致线粒体功能障碍并促进ALS。
这些研究发现，在将VDACs识别为神经功能障碍中介的同时，也突显了它们作为神经退行性疾病生物标志物和治疗药物的有前景潜力。例如，靶向SOD1-VDAC1相互作用的合成肽阻止了相应毒性；抑制αSyn-VDAC复合化的合成肽改善了αSyn相关损伤。开发类似的阻碍VDACs与神经退行性病变标志性分子复合化的合成肽具有相当大的治疗相关性。
**亚型特异性VDAC相互作用和功能**
研究人员最丰富的VDAC1参与其微环境中的多种功能相互作用。该亚型与ANT（IMM中的ATP/ADP交换载体）显示功能相互作用。在其细胞质侧，VDAC1与β-微管蛋白和其他细胞骨架蛋白结合，已知二聚体α-和β-微管蛋白相互作用降低VDAC1电导和通透性。VDAC1与DYNLT1（动力蛋白轻链Tctex型1，动力蛋白马达复合物的组分）相互作用，将线粒体连接到微管。这种相互作用可能不仅有助于缺氧条件下的线粒体稳定性，还有助于线粒体定位和膜相关VDAC1运输的调控。VDAC1还与凝溶胶蛋白（gelsolin，一种Ca
2+依赖性肌动蛋白调节蛋白）相互作用，该蛋白在抑制线粒体介导的细胞凋亡和细胞骨架重组中发挥双重作用。此处，凝溶胶蛋白通过直接结合和关闭VDAC、防止细胞色素c释放来显示抗凋亡特性。类似地，VDAC1与adseverin（一种Ca
2+调节的凝溶胶蛋白样肌动蛋白结合蛋白）相互作用，已知其抑制线粒体介导的细胞凋亡。VDAC1还与全长Aβ前体蛋白和加工后的Aβ肽Aβ1-40和Aβ1-42以及Parkin相关联，从而触发神经退行性病变进展的早期事件。
VDAC2特异性相互作用网络了解较少；然而，某些重要相互作用已被彻底研究。VDAC2显著结合并与Bak相互作用，主动抑制Bak功能。此外，它与Bax和tBid相互作用，从而在线粒体介导的细胞凋亡中发挥调控作用。而且，VDAC2的保守膜定向谷氨酸直接与神经酰胺相互作用，作为神经酰胺介导细胞死亡中的特定效应子。这一结合事件破坏VDAC1-己糖激酶I关联并阻碍Bax逆向转位，不可逆地触发线粒体介导的细胞凋亡。
VDAC1和VDAC2结合内皮一氧化氮流的合成酶，影响其最佳活性，VDAC2表达水平降低和VDAC2与内皮一氧化#u流合成酶之间相互作用减弱导致肺动脉高压。VDAC2是胶质母细胞瘤治疗的有前景靶点，因其在调控糖酵解代谢与胶质瘤干细胞可塑性之间的相互作用中的作用。VDAC2调控似乎甚至延伸到人类微孢子虫感染。Encephalitozoon hellem孢原质表面蛋白1（EhSSP1）与宿主细胞线粒体VDAC2之间的相互作用对决定感染性寄生液泡的形成、数量和大小至关重要。
**VDAC2在钙转运中的作用**
作为四种次级信使之一，Ca
2+在信号转导途径和作为酶的辅因子中至关重要。Ca
2+调节多种细胞信号过程，包括神经元神经递质释放、心脏和肌肉细胞收缩、受精和细胞凋亡。细胞内Ca
2+主要储存在线粒体和ER中，它们的受控短暂释放严格发生在信号事件期间。线粒体Ca
2+摄取调控氧化代谢并调节细胞质Ca
2+浓度，从而调节Ca
2+依赖性信号通路。线粒体Ca
2+水平与程序性细胞死亡的启动直接相关。
所有VDAC亚型在激动剂刺激下均参与Ca
2+流动。Ca
2+流动主要采用细胞质/ER/线粒体途径，主要通过MERCSs。此处，IP3R-GRP75-VDAC1复合物的形成促进的两种膜栓系促进了Ca
2+转移。Ca
2+转移促进ER-线粒体紧密偶联，IP3R-VDAC1相互作用在凋亡期间增强。这些栓系结构中Ca
2+转移的精确分子机制仍有待充分阐明。VDAC2在心脏细胞中维持Ca
2+稳态，VDAC2敲低降低心肌细胞中线粒体Ca
2+摄取。此处，肌浆网-线粒体连接对Ca
2+稳态至关重要，ryanodine受体2与VDAC2的关联在线粒体从肌浆网摄取Ca
2+中发挥重要作用。MERCSs中这些Ca
2+转移机制的失调越来越多地被牵涉到神经退行性疾病、代谢紊乱和癌症的病理中。
触发VDAC2过表达并用药物efsevin增强VDAC2活性加速Ca
2+从细胞质进入线粒体。Efsevin直接与VDAC2通道内壁和N端螺旋衬里之间的三个关键残基相互作用，改变桶门控，增强线粒体Ca
2+摄取，并抑制心律失常发生。电生理学评估揭示efsevin-VDAC2相互作用降低VDAC2阴离子电导同时增强阳离子选择性。在表现出节律收缩异常的Na
+/Ca
2+交换蛋白缺陷斑马鱼心脏和显示有限空间和瞬时Ca
2+火花的心肌细胞中，VDAC2上调恢复正常功能。使用efsevin和hVDAC2的广泛结构和功能分析为开发高效efsevin类似物治疗心律失常提供了有前景的途径。
**VDAC2在类固醇激素发生中的作用**
类固醇激素发生是利用胆固醇作为前体合成类固醇激素的生物合成。睾丸和肾上腺是男性类固醇激素发生的主要部位。类固醇激素发生始于37 kDa细胞质类固醇生成急性调节蛋白（StAR）前体将游离细胞内胆固醇从ER转位到线粒体基质。该复合物在MERCSs处与VDAC2和Tom22的细胞质面结合，随后通过Tom40可能跨越OMM转位。StAR与VDAC2的N-和C-端残基221-229和277-282相互作用。VDAC2结合触发StAR在膜间隙的内化和加工为32 kDa形式。随后，StAR在线粒体基质中转化为成熟的30 kDa形式。在VDAC2缺失时，StAR加工和内置化不发生，揭示VDAC2作为类固醇激素发生的关键调节因子。这些发现证实了VDAC2在睾丸中的丰富度，而VDAC1表达显著较低。
其他研究表明胆固醇可能通过ER的σ-1受体与MERCSs为代价体VDAC2的关联伴随Ca
2+信号共同转移。使用人Tau小鼠模型的生理学研究将失败的类固醇激素发生与由于异常Tau对VDAC的螯合导致的松散ER-线粒体相互作用联系起来。VDAC-StAR破坏和MERCSs实例减少损害胆固醇输入和线粒体孕烯醇酮生物合成。产生的线粒体功能障碍是阿尔茨海默病患者大脑中的标志性事件。VDAC与去泛素化酶UCH1相互作用调节雌二醇产生，在排卵中发挥重要作用。
**VDAC2在配子发生中的作用**
配子发生是从单倍体或二倍体前体细胞产生成熟单倍体配子的生化机制，包括男性精子发生和女性卵子发生。VDAC2的抗凋亡作用在此过程中至关重要，同时也影响精子细胞和卵母细胞的生物能学和活力。值得注意的是，牛精子鞭毛外周致密纤维中观察到VDAC2表达水平升高。VDAC2内的各种单核苷酸多态性与与异常精液参数相关的特发性男性不育有关。在卵子发生中，自噬调控至关重要，VDAC2通过结合并抑制凋亡起始蛋白beclin-1抑制发育中卵巢的自噬。VDAC2与抗凋亡BCL2L1的相互作用额外微调了这一复杂过程。
**涉及VDACs作为治疗药物的开放性研究**
尽管涉及VDACs取得重大进展，其功能的几个方面仍有待阐明且常存争议。理解VDACs在建立和维持细胞稳态中发挥的多样化和新颖作用，对生理环境和几乎所有线粒体相关疾病具有直接意义。例如，线粒体在适应骨骼肌到增加收缩活动中的关键作用已确立。VDACs被认为在杜氏肌营养不良中经历改变。在小鼠模型中，ANT2增加伴随ANT1和ATP合酶（mPTP的组分）以及VDAC1（可能的mPTP组分）的相应降低，降低氧化磷酸化效率，影响Ca
2+稳态，并在骨骼肌中诱导mPTP形成。值得注意的是，不同学派既提出VDACs在mPTP中的存在，也提出其缺失，突显了详细调查的需要。虽然ANT1不直接结合微管蛋白，但VDAC结合微管蛋白的能力与加速营养不良进展相关。然而，另一项小鼠研究鉴定了营养不良症中α-微管蛋白-VDAC2相互作用无变化，表明需要检查其他微管蛋白或VDAC亚型对影响骨骼肌生物能学的贡献。将线粒体功能障碍与肌肉萎缩联系起来的平行研究加强了VDACs的可能参与，但需要详细调查。
另一项研究确立了磷酸化VDAC的寡聚化如何负责在含有VDAC和ANT的红细胞中释放ATP。苯二氮卓类和三环家族转运蛋白配体可与VDAC和ANT形成多聚体复合物。这种相互作用可 triggering钙内流并增加环磷酸腺苷（cAMP）信号，进而促进VDAC1磷酸化和寡聚化。该寡聚复合物允许ATP释放。VDAC1表达水平升高和错误靶向到质膜也与高血糖相关，伴随β-胰岛细胞中ATP水平降低。VDAC1的非线粒体定位，特别是到质膜，在高血糖和某些免疫或癌细胞等特定病理背景下已有报道。然而，VDAC1在某些情况下如何错误定位的精确机制细节，如受损的线粒体输入、囊泡运输或过表达诱导的错误靶向，仍有待充分阐明。VDAC1电导抑制剂在小鼠模型中的成功使用为基于VDAC的治疗药物对抗2型糖尿病提供了范围；然而，需要进一步研究。
在脊髓损伤的生理背景下，VDACs与脊髓损伤诱导的神经退行性病变相关。脊髓损伤引发继发性反应，包括炎症、脱髓鞘和运动功能丧失。损伤后，VDAC1寡聚化并发生N端螺旋的构象重定位，促进凋亡信号。研究表明VDAC1消融导致体外神经突回缩，阻断VDAC1寡聚化减少细胞死亡并改善运动功能恢复。VDAC1是否可作为治疗脊髓损伤的药物靶点仍有待确立。
VDAC2在钙调节中的重要性通过VDAC2耗竭小鼠心肌细胞显示紊乱钙信号和异常心肌功能得到证明。重新引入VDAC2部分挽救了幼鼠的异常。用抗心律失常药efsevin激活VDAC2改善压力超负荷心力衰竭模型中的心脏收缩。这将VDAC2定位为心力衰竭治疗的潜在靶点。
VP5是来自传染性法氏囊病病毒的病毒蛋白。VP5诱导的凋亡通过VDAC2-VP5相互作用介导。这种凋亡触发似乎限制病毒复制并充当宿主防御机制。对VDAC2重要调控作用的额外研究将有助于开发靶向VDAC2的生物模拟物和异源肽作为传染性法氏囊病病毒的强效治疗药物。
**结论和未来展望**
OMM作为利基领域在过去十年中受到越来越多的关注，这也显著推进了研究人员对线粒体β-桶的理解，并帮助研究人员推断其保持数十年神秘的至关重要调控功能。VDACs建立的与细胞质、线粒体和ER蛋白的相互作用组，以及它们对维持脂质、离子和代谢物稳态的贡献，已将这一OMM β-桶定位为许多必要细胞过程的中心调控开关。现已熟知，即使是每个hVDAC亚型中的轻微分子变异，特别是hVDAC2，也直接影响其生物化学和功能，最终导致疾病状态。例如，VDAC2中的单残基替换与各种癌症相关。然而，研究人员仍然缺乏关于hVDACs如何在体内组装和调控的基本知识。例如，各种VDAC亚电导态的生物学相关性，以及OMM相关调控开关在VDAC结构、门控和功能中的生物学相关性尚不清楚。确实，hVDAC2的结构仍有待推断。体外测量显示hVDAC2比hVDAC1结构性较差（且更具动态性）；然而，这些差异是否存在于OMM脂质环境中的体内不清楚，且结构含量对VDAC寡聚化的影响也不清楚。研究人员仍然缺乏两个近乎相同亚型hVDAC1和hVDAC2如何具有拮抗功能和相互作用组的分子基础。VDACs呈现的重要调控功能在癌症、神经退行性疾病和心血管疾病等广泛负担中尤其相关。现在需要理解的关键功能包括：（a）每个VDAC亚型的完整生理作用谱，（b）调控VDAC活性时空调节的精确蛋白质组和脂质组微环境，以及（c）病理生理学中亚型特异性功能的复杂精确切换。尽管取得重大进展，仍然需要持续揭示VDACs构象动态、功能含义和作用机制的细微细节，所有这些对于靶向诊断引导治疗药物和临床应用的开发至关重要。OMM和VDAC研究的进展将决定人类健康关键挑战的轨迹以及研究人员产生切实治愈方法的能力。鉴定VDAC亚型特异性分子手柄最终可能 experienced effective biological medications and next-generation personalized therapeutics.
