线粒体前体蛋白过度蓄积应激（Mitochondrial Precursor止accumulation Stress，mPOS）

《Annual Review of Biochemistry》：Mitochondrial Precursor Overaccumulation Stress

　　

线粒体损伤引发多层面的细胞应激，其影响超越生物能量学缺陷。一个新近发现的典型例证即为线粒体前体蛋白过度蓄积应激（mitochondrial precursor overaccumulation stress，mPOS）。mPOS的特征表现为线粒体蛋白质输入（protein import）受损，导致未输入的线粒体前体蛋白在细胞质中发生毒性蓄积与聚集。类似于研究较为充分的内质网（endoplasmic reticulum，ER）应激——后者阻断蛋白质离开细胞——mPOS可在细胞质中施加剧烈的蛋白质稳态（proteostasis）负担，并与细胞信号通路密切关联。本文综述了研究人员发现mPOS的历程，并讨论其在若干主要线粒体诱导应激信号通路中的核心重要性。继而聚焦于mPOS在细胞死亡与人类疾病中的新兴研究领域，并呈现近期证据表明mPOS可独立于生物能量学影响细胞适应性与存活。展望未来，mPOS可能为经典线粒体病及众多涉及线粒体应激的衰老相关退行性疾病提供一种补充性或替代性的致病机制，以解释生物能量学缺陷。

线粒体作为"细胞动力工厂"的经典认知反映了线粒体生物学领域历史上对生物能量学（bioenergetics）的侧重，线粒体疾病领域同样聚焦于线粒体ATP产生。然而，日益明确的是，生物能量学缺陷无法解释线粒体诱导细胞应激或人类病理的全部谱系，这引出了一个长期存在的问题：非生物能量学途径的本质是什么？线粒体前体蛋白过度蓄积应激（mitochondrial precursor overaccumulation stress，mPOS）正是这样一种线粒体诱导的生物能量学非依赖性细胞应激途径。

mPOS由多种损伤线粒体蛋白质输入效率的线粒体损伤所诱导，导致未输入的线粒体蛋白质在细胞质中发生毒性蓄积。与酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）不同，大多数酵母物种及哺乳动物细胞为专性需氧生物，无法在无氧条件下存活。研究人员利用 naturally ρ°致死（即缺失线粒体DNA无法存活）的克鲁维酵母（Kluyveromyces lactis）系统，通过鉴定可抑制ρ°致死性的核基因突变，发现这些突变集中于F1-ATPase的α、β、γ亚基，从而提出ρ°致死性的双组分模型：mtDNA缺失同时导致电子传递链（electron transport chain，ETC）质子泵送和F1F_o-ATP合酶反向质子泵送的丧失，引起线粒体膜电位（Δψ_m）崩溃。后续研究发现，多种线粒体损伤和临床相关条件均可影响蛋白质输入效率并在细胞质中引起mPOS，而不一定影响生物能量学。

mPOS的发现源于对Aac2^A128P（酿酒酵母中人类ANT1同源物的一种致病突变体）致死机制的研究。该突变在不需要氧化磷酸化的发酵碳源上仍具高度毒性。研究人员发现，抑制雷帕霉素靶蛋白（target of rapamycin，TOR）信号通路、破坏非必需的细胞质核糖体亚基编码基因，以及改善细胞质蛋白质稳态均能强力抑制Aac2^A128P诱导的细胞死亡。质谱分析证实Aac2^A128P表达细胞的细胞质前体蛋白蓄积，从而提出mPOS模型：线粒体损伤以不同方式影响蛋白质输入效率，导致未输入前体蛋白的毒性蓄积，引发细胞质蛋白质稳态应激即mPOS。独立研究也证实，蛋白质输入缺陷细胞中前体蛋白滞留于细胞质导致蛋白质毒性，并激活包括全局蛋白质合成抑制和蛋白酶体功能活化在内的应激反应，称为蛋白质错误靶向激活的未折叠蛋白质反应（unfolded protein response activated by mistargeting of proteins，UPRam^am）。

mPOS并非酵母特有现象。在HEK293T细胞中，单个线粒体载体蛋白的过表达即可诱导细胞质中形成类似聚集体（aggresome）的大型有序蛋白聚集物，且线粒体呼吸仅轻微降低。这揭示三个关键结论：线粒体蛋白质输入是易饱和过程；细胞质降解未输入线粒体蛋白的能力有限；mPOS可在哺乳动物细胞中以部分阻断蛋白质输入的方式发生，而无严重生物能量损伤。

多种线粒体及线粒体外损伤可诱导mPOS，包括：蛋白质输入转位酶堵塞（如致病性ANT1/Aac2变异体）、底物超载、输入缺陷、前体蛋白过早折叠、与细胞质蛋白的异位相互作用、输入组分基因突变、mtDNA突变、ETC抑制、衰老、线粒体内膜（inner mitochondrial membrane，IMM）解偶联、膜损伤、IMM蛋白质稳态应激、蛋白酶体功能障碍、营养与mTOR信号增强，以及前体蛋白向TOM复合体递送失败等。

为预防mPOS，细胞演化出多种抗堵塞途径。在线粒体外膜（outer mitochondrial membrane，OMM）的TOM复合体层面，酵母中的线粒体受损蛋白质输入反应（mitochondrial compromised protein import response，mitoCPR）、线粒体蛋白质转位相关降解（mitochondrial protein translocation-associated degradation，mitoTAD）途径和Pth2介导的质量控制途径均可促进堵塞蛋白的蛋白酶体降解。哺乳动物中，AAA+ ATP酶ATAD1被招募至TOM复合体促进解堵塞；E3泛素连接酶MARCH5与TOMM70关联并泛素化多种线粒体前体蛋白。线粒体内蛋白酶解也参与防止输入堵塞，如Yme1蛋白酶和OMA1依赖性蛋白水解切割。此外，细胞可通过刺激转位子机器的生物合成增加输入能力，如小鼠中ANT1超载激活编码TOM、TIM23和PAM复合体组分的核基因。

当抗堵塞途径被压到时，mPOS发生，细胞质中的抗mPOS途径被激活。未输入的线粒体前体蛋白可被降解：通过蛋白酶体、内质网相关降解（ER-associated degradation，ERAD）途径或液泡/溶酶体系统；也可被隔离进入聚集体、颗粒或细胞核。内质网表面介导的蛋白质靶向（endoplasmic reticulum–surface mediated protein targeting，ER-SURF）途径可将误靶向的线粒体蛋白重新导向线粒体输入。酵母中可形成称为MitoStores的伴侣蛋白控制性细胞质颗粒；哺乳动物中则形成膜包裹的聚集体。细胞还减少全局蛋白质合成以缓解mPOS，可能涉及热休克因子Hsf1和整合应激反应（integrated stress response，ISR）。

未输入的线粒体前体蛋白还作为信号分子触发多种信号通路。线粒体未折叠蛋白质反应（mitochondrial unfolded protein response，UPR^mt）经典上由线粒体内蛋白质错误折叠激活，但在哺乳动物细胞中需要mPOS的存在：未输入线粒体蛋白结合并隔离细胞质伴侣蛋白HSP70和DNAJA1，释放转录因子HSF1进入细胞核激活线粒体伴侣蛋白和蛋白酶基因。在秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）中，单一 mitochondrial protein ATFS-1的输入失败即可触发UPR^mt。

mPOS也与ISR激活密切相关。线粒体蛋白酶Oma1在应激条件下切割DELE1，释放其短形式进入细胞质通过激酶HRI激活ISR。新近研究表明，蛋白质输入应激导致的DELE1在TOM复合体上堵塞及后续切割释放是ISR激活的关键机制。小鼠模型证实，单纯mPOS可在无可检测呼吸缺陷情况下强烈激活ISR。此外，未输入的线粒体代谢酶（如柠檬酸合酶）可在细胞质中形成酶活性构象影响细胞代谢；蛋白质输入缺陷还可通过PINK1积累激活线粒体自噬（mitophagy）。

mPOS作为细胞死亡的新介导因素，其毒性源于多种线粒体膜蛋白的高度疏水性在亲水细胞质微环境中导致的蛋白质毒性。酵母中mPOS可完全阻断细胞生长；HEK293T细胞中mPOS仅适度增加凋亡；小鼠骨骼肌中mPOS虽不引起明显细胞死亡，但导致严重的肌纤维萎缩。

在人类疾病方面，常染色体显性进行性眼外肌麻痹（autosomal dominant progressive external ophthalmoplegia，adPEO）中，ANT1突变被证实通过堵塞蛋白质输入导致mPOS，且与mtDNA多重缺失相关。肌肉萎缩方面，三个小鼠模型支持mPOS可诱导肌肉萎缩：ANT1过表达小鼠、PAM复合体组分肌肉特异性敲低小鼠、以及Ant1^{A114P,A123D/+}小鼠，均显示mPOS与ISR激活或FOXO转录因子激活相关。帕金森病（Parkinson's disease，PD）中，蛋白质输入堵塞增强α-突触核蛋白聚集和运动协调缺陷，且无检测到的生物能量学缺陷，为mPOS参与哺乳动物神经退行性变提供了概念验证。

其他神经退行性疾病如阿尔茨海默病（Alzheimer's disease，AD）、亨廷顿病和肌萎缩侧索硬化也合并线粒体功能障碍和细胞质蛋白聚集，但mPOS在这些疾病中的作用尚未正式验证。衰老作为加速mPOS细胞死亡的重要因素，与蛋白质输入能力衰退或mPOS耐受性降低相关。TOMM40多态性与晚发性AD发病年龄及人类长寿的关联，提示线粒体蛋白质输入应激和mPOS可能参与其中。TIMM50、TIMM22、AKG等TIM22功能相关基因及TOMM7的致病变异也与多种线粒体神经病变相关。

展望未来，mPOS的经典病理意义曾局限于核心输入机器组分的罕见神经肌肉疾病，但其更广泛的健康影响正被认识。在多种线粒体应激条件下，mPOS可能在生物能量学缺陷尚未达到生理相关水平之前即触发致病级联。研究人员认为，mPOS几乎可能在所有影响Δψ_m和蛋白质输入的线粒体功能障碍下游发生，包括缺血性组织损伤和肺部病理生理学等。

结论性评论指出，早期研究表明需氧生物可在无氧化磷酸化条件下存活，但无法耐受mtDNA缺失，这提出了线粒体诱导细胞死亡的非生物能量学决定因素的存在。mPOS最近作为这样一种机制显现，其介导线粒体诱导的细胞信号传导、细胞死亡和众多人类疾病，且独立于生物能量学。类似于阻断蛋白质离开细胞的内质网应激，mPOS源于细胞质合成蛋白质向线粒体靶向的失败，二者均在细胞质中施加蛋白质稳态负担。线粒体功能紊乱影响细胞能量代谢，但也诱导mPOS。线粒体蛋白质输入系统极为脆弱，细胞质容纳mPOS的能力有限。mPOS可导致细胞死亡和组织稳态丧失。未来研究将有助于阐明mPOS机制在广泛的衰老相关退行性疾病（包括常伴有线粒体应激的AD和PD）中组织损伤中的贡献程度。