综述：神经退行性疾病中的蛋白质稳态与线粒体质量控制

《WIREs Mechanisms of Disease》：Protein Homeostasis and Mitochondrial Quality Control in Neurodegeneration

　　

质量控制（QC）过程包括一系列细胞通路，通过修复、回收和/或消除缺陷组件（包括线粒体）来防止毒性聚集物的积累。这些通路包括调节蛋白质组的蛋白质稳态网络（PN）和维持线粒体数量与完整性的线粒体质量控制（MQC）机制。QC依赖于一个层级化和空间整合的调节轴，而非单个平行单元。此类系统协调线粒体生物发生、动力学和自噬回收与蛋白质稳态，以确保高质量线粒体的维持和生物能量高效细胞。神经元作为具有高能量需求的有丝分裂后细胞，高度依赖这些机制以及MQC的空间协调。在此，研究人员讨论了这种整合QC轴的失败（而非其单个组件的功能障碍）如何驱动神经元衰退并促进神经退行性变。

**1 引言**
质量控制（QC）过程对细胞的经济性至关重要，即能量生产与资源分配之间的平衡，以维持结构完整性并优化细胞生命周期。这些过程通过修复、回收和/或消除缺陷组件（包括线粒体）来防止毒性损伤的积累。QC系统在主要处于有丝分裂后的组织中尤其重要，在这些组织中，管家过程清除碎片以支持细胞功能和组织健康。QC长期以来被视为一组离散模块，包括调节蛋白质组稳态的蛋白质稳态网络（PN）和调控线粒体丰度与完整性的线粒体质量控制（MQC）通路。然而，越来越多的证据表明，QC系统通过一个层级化组织和空间整合的调节轴运行，而非作为一组平行、独立的单元。QC系统共同协调线粒体生物发生、动力学和自噬回收与蛋白质稳态通路，以维持线粒体完整性并保持细胞生物能量能力。神经元是高能量需求细胞，其活力高度依赖高效的MQC。线粒体生物发生主要发生在神经元胞体中，产生新的细胞器，其中一些留在胞体，而另一些则沿着轴突和树突被运输到高能量需求区域，如突触前末梢和朗飞结。这种细胞内分布由微管和神经丝网络引导，并依赖运动蛋白，如用于顺向运输的驱动蛋白和用于逆向运输的动力蛋白。线粒体Rho GTPase（Miro）家族的成员也在调节线粒体轴突内运动中发挥作用。神经元中线粒体及其他细胞货物长距离运输以及质膜电位的维持是这些细胞中最大的能量需求之一。由于这两个过程都高度依赖线粒体ATP生产，因此维持高质量线粒体对神经元功能和存活至关重要。在此，研究人员讨论QC整合轴的失败（而非其单个组件的功能障碍）如何触发神经元质量下降，这是神经退行性病理生理学的核心。

**2 健康与衰老中整合蛋白质稳态的分子通路**

**2.1 蛋白质稳态网络**
PN是一个适应性系统，通过协调分子伴侣、泛素-蛋白酶体系统（UPS）和自噬-溶酶体系统来维持亚稳态蛋白质组。PN在人类细胞中通过约2000个因子运作为，确保蛋白质在合成后折叠并达到天然构象，同时防止功能失调和毒性聚集物的生成与积累。蛋白质合成是PN的第一个关键节点。为避免压倒细胞折叠能力，整体蛋白质翻译受到严格调控，并必须与可用的折叠资源保持平衡。错误折叠蛋白质的积累会触发内质网（ER）应激，并通过传感器如肌醇需求跨膜激酶/内切核糖核酸酶1α（IRE1α）、蛋白激酶RNA样内质网激酶（PERK）和激活转录因子（ATF）6α激活未折叠蛋白反应（UPR）。在基础条件下，这些传感器通过与ER分子伴侣结合免疫球蛋白蛋白（BiP）结合而失活。在应激下，BiP解离，结合错误折叠蛋白质，并触发UPR激活。PERK磷酸化真核起始因子2α（eIF2α）。eIF2α的磷酸化是整合应激反应（ISR）的中心事件，这是一种保守的适应性信号网络，可瞬时减弱全局蛋白质合成，同时促进选择性翻译应激反应转录因子，包括ATF4。ATF4易位至细胞核，诱导分子伴侣和参与蛋白质稳态恢复的蛋白质表达。此外，在高尔基体中加工的ATF6释放转录活性因子，刺激分子伴侣和ER相关降解组分的表达，而IRE1α促进X-box结合蛋白1（XBP1）的非常规剪接，生成XBP1s，这是一种增强ER蛋白质稳态能力的转录因子。总体而言，UPR减轻蛋白质负荷，增加折叠能力，并促进受损蛋白质的清除。多肽折叠在蛋白质从核糖体出现时立即开始，是一个固有易错的过程，新生链必须隔离疏水残基以达到低自由能天然状态。折叠在核糖体上以矢量方式发生，共翻译折叠机制限制了脆弱非天然状态的暴露。在拥挤的细胞环境中，部分折叠中间体形成异常分子间接触的风险很高，导致无定形聚集物和结构化淀粉样纤维的形成。分子伴侣是PN的促进者，作用于从新生折叠到降解的每个阶段。人类“分子伴侣组”由约330个成员组成，包括热休克蛋白（Hsp）70和Hsp90家族，它们通过遮蔽疏水域并促进折叠景观来防止聚集。分子伴侣功能参与一个复杂且多阶段的蛋白质稳态系统，该系统超出了细胞局限，涵盖了细胞外和系统环境。终末错误折叠或受损的蛋白质必须被有效清除以防止蛋白质毒性。PN利用两个主要降解组件：（1）UPS，包含约850个组件，主要针对单个可溶性错误折叠蛋白质，将其降解至26S蛋白酶体；（2）自噬-溶酶体系统，包含约500个组件，负责清除较大的蛋白质聚集物和受损细胞器。在降解前，聚集的蛋白质可以经历分子伴侣介导的解聚。Hsp70–Hsp40–Hsp110三联体构成后生动物解聚机制的核心。该系统可溶解淀粉样聚集物，这一过程关键依赖于核苷酸交换因子Hsp110。从聚集物中释放的蛋白质可能随后经历分子伴侣辅助的再折叠，或者当恢复不可能时，被导向蛋白水解清除，包括通过UPS降解。UPS监督大部分胞质蛋白降解。泛素（Ub）是一种76个氨基酸的多肽，以单体或聚合物形式通过一组泛素酶（E1、E2和E3）附着于蛋白质。具体来说，E1和E2利用ATP将Ub与底物结合，而E3催化Ub的C末端羧基与目标蛋白的连接。在哺乳动物中，帕金蛋白（Parkin）是E3连接酶之一，参与赋予对将降解至26S蛋白酶体的底物识别的特异性。目标蛋白的蛋白酶体降解需要Lys48型多聚泛素化。泛素结合酶E2 O（UBE2O）是一种非典型E2/E3杂合泛素连接酶，选择性靶向“孤儿”蛋白，包括未能整合到其天然蛋白质复合物中的未组装亚基，从而促进其泛素化和蛋白酶体降解。这一机制对于避免聚集种子疏水表面的积累至关重要。或者，错误折叠蛋白质和/或受损细胞器可通过自噬通路清除，该通路通过形成自噬体并与溶酶体融合进行降解。

**2.2 衰老与神经退行性疾病中的蛋白质稳态网络**
衰老以蛋白质稳态下降为特征，尤其是神经元。Hsp70–Hsp40–Hsp110三联体化学计量的破坏是PN中一种相关改变，导致蛋白质稳态崩溃，其中亚稳态蛋白质（许多对突触信号至关重要）被隔离进入毒性聚集物。此外，高分子量蛋白质聚集物可直接损害蛋白酶体功能或使其降解能力饱和，从而损害孤儿蛋白和其他错误折叠底物的清除，并促进神经退行性疾病特征性的渐进性蛋白质稳态崩溃。在衰老和神经退行性疾病的背景下，已有描述神经元蛋白质稳态与小胶质细胞功能之间的动态相互作用。在老年小鼠中描述了年龄相关的神经元蛋白质组维持丧失和神经元蛋白质半衰期增加。此外，已报道了一个由1700多种蛋白质组成的神经元“聚集组”，其中约一半显示出年龄相关的降解减少。值得注意的是，神经元突触蛋白在老年小胶质细胞中富集，表明突触蛋白周转和聚集受损与小胶质细胞对突触的吞噬之间存在联系，最终导致衰老过程中突触变性和丢失以及认知下降。这些发现强调了小胶质细胞蛋白质稳态在神经元健康和疾病进展中的关键作用。此外，已描述了细胞外蛋白质稳态的系统级组织。该网络将在细胞周、组织和系统组织水平上运作，其中几种分泌因子（包括分子伴侣和蛋白酶）协作识别并去除错误折叠蛋白质。此类层级防御机制的中断对于神经退行性疾病和系统性淀粉样变性的发展至关重要。蛋白质稳态的概念因此从一个纯粹的细胞内现象演变为一个更广泛的、整合的系统级网络，与生物体健康相关。神经退行性疾病的复杂性及其分子异质性强调了对蛋白质聚集模式更深入理解的需要。一个泛神经退行性疾病图谱（PanNDA），对跨六种主要神经退行性疾病（即阿尔茨海默病、伴有TDP-43病理的额颞叶变性、路易体痴呆、帕金森病、伴有tau病理的进行性核上性麻痹和血管性痴呆）的人类脑样本进行的大规模多层蛋白质组学分析，已生成。该图谱整合了全蛋白质组、去污剂不溶性蛋白质组（代表聚集蛋白质）和翻译后修饰的数据，揭示了神经退行性疾病中的不同分子亚型，并识别了蛋白质网络中的共享变化和枢纽调节因子。这些蛋白质组学见解对于阐明不同神经退行性疾病中受影响的特异性蛋白质QC通路以及开发靶向治疗干预具有重要意义。总而言之，这些数据表明，虽然对蛋白质稳态和分子伴侣在防止蛋白质错误折叠和聚集中的作用的理解仍然至关重要，但理解其网络也非常相关。为了完全捕捉这一点，需要转向更整合的观点，包括神经元与小胶质细胞蛋白质稳态之间的动态相互作用、细胞外蛋白质稳态的层级组织，以及神经退行性疾病中蛋白质聚集的特征。

**3 线粒体与蛋白质稳态**

**3.1 线粒体蛋白质组与线粒体蛋白质稳态的组织**
线粒体源自可追溯到α-变形菌门的内共生祖先。它们的细菌起源得到了几个结构特征的证实，如环形线粒体DNA（mtDNA）、小线粒体核糖体、心磷脂，以及由外膜（OMM）和内膜（IMM）包围膜间隙（IMS）的双膜系统。IMM的嵴增加了分配电子传递链（ETC）复合物的表面积，而其低渗透性维持了电化学梯度，这是通过化学渗透合成ATP的基础。相反，OMM由于多个电压门控阴离子通道（VDACs）而具有高渗透性，允许高达5 kDa的溶质通过。线粒体蛋白质组在酵母和人类中由数千种蛋白质组成，其中只有13种由mtDNA自主编码。大多数蛋白质是核编码的，在胞质中合成，并通过OMM（TOM）和IMM（TIM）的蛋白质转位酶复合物网络以未折叠形式输入线粒体，该过程依赖ATP、基质金属蛋白酶（MMPs）和线粒体分子伴侣如mtHsp70。一旦进入基质，标签序列被移除，成熟蛋白质由额外的分子伴侣分选。核和线粒体基因组的协调表达对于避免未组装亚基的积累至关重要，这与活性氧（ROS）产生增加有关。除了能量代谢，线粒体还参与脂质和氨基酸生物合成、尿素循环、血红素和铁硫簇合成、凋亡和先天免疫。它们还通过膜接触位点与其他细胞器（如ER）通信，以促进脂质交换和钙信号传导。线粒体完整性由胞质QC系统（如UPS）和线粒体内过程的协调活性维持。在基质内，分子伴侣促进正确折叠并限制核编码和线粒体编码蛋白质的聚集。泛素化底物被招募因子识别，这些因子招募AAA-ATPase蛋白酶，如ATP依赖的蛋白易位酶裂殖子表面蛋白1（Msp1）和细胞分裂周期48（Cdc48）相关的线粒体应激响应蛋白1（Vms1）在酵母中，以及含缬酪肽蛋白（VCP）在哺乳动物中。这些复合物利用ATP水解从OMM提取蛋白质，并靶向它们由胞质蛋白酶体复合物降解。一个核糖体质量控制系统也贡献于线粒体蛋白质稳态。经历翻译停滞的多肽被E3泛素连接酶Ltn1（哺乳动物中为Listerin）识别，该酶泛素化不完全翻译产物并靶向它们进行蛋白酶体降解。同时，核糖体质量控制复合物亚基2（Rqc2）催化C末端丙氨酸/苏氨酸富集延伸（CAT尾巴）添加到停滞多肽上。当Ltn1介导的泛素化受损或饱和时，CAT尾蛋白可以逃脱降解，进入线粒体并在基质内积累，在那里它们促进蛋白质毒性应激和蛋白质聚集。尽管确切机制仍不清楚，但Vms1通过干扰Rqc2介导的CAT尾化来对抗这一点，并可能作为tRNA水解酶释放停滞多肽从60S核糖体。错误折叠蛋白质在线粒体内的积累激活线粒体UPR（UPRmt），该反应诱导参与蛋白质稳态的核基因表达，并瞬时减少蛋白质输入，可能由于mtHsp70的饱和。这导致前体在胞质中积累，并激活热休克转录因子1（HSF1）和26S蛋白酶体调节亚基重复元件蛋白4，增加分子伴侣和蛋白酶体组分的表达，并促进错误靶向蛋白质的降解。同时，连接蛋白Cis1招募Msp1去除停滞在输入通道中的蛋白质（mitoCPR），而UBX结构域蛋白2（Ubx2）通过线粒体蛋白转位相关降解通路（mitoTAD）与TOM复合物和Cdc48协作。前体应激减少胞质翻译，减轻蛋白质毒性负担。然而，这些通路如何协调以及UPR诱导的蛋白质如何逃脱胞质降解仍不清楚。总体而言，胞质蛋白质QC通路（主要是UPS）和线粒体内QC机制（包括线粒体分子伴侣、蛋白酶和UPRmt）紧密相连。胞质通路维持线粒体蛋白质稳态，而线粒体应激反应有助于维持胞质蛋白质稳态。贡献于线粒体蛋白质稳态的主要通路及其与更广泛的MQC机制的整合总结于表1。线粒体充当蛋白质稳态应激的传感器和缓冲器。急性应激或衰老促进蛋白质聚集，通常起源于ER并在ER-线粒体接触位点积累。在酵母中，这些聚集物保留在母细胞中，并通过胞质中线粒体作为守护者（MAGIC）通路清除，该通路需要Hsp104解聚蛋白质，然后蛋白质被输入线粒体。一旦内化，错误折叠蛋白质被线粒体蛋白酶如Lon蛋白酶（LONP）降解。即使在生理条件下，结构不稳定的胞质蛋白也可以组成型靶向线粒体进行降解，而ER靶向缺陷导致其在线粒体积累。这个过程在人类细胞中是保守的：错误折叠蛋白质已被证明可输入人类视网膜色素上皮细胞，而在HeLa细胞中，FUN14结构域蛋白1（FUNDC1）和热休克同源70 kDa蛋白（HSC70）促进其输入和由Lon蛋白酶1（LONP1）降解。因此，MAGIC通路可能是一种进化保守的机制，用于维持胞质蛋白质稳态。线粒体蛋白质输入缺陷与未成熟和异常蛋白质前体的胞质积累有关，这压倒蛋白质稳态机制并促进蛋白质的错误折叠和病理聚集，如α-突触核蛋白和β-淀粉样蛋白。此过程破坏胞质蛋白质稳态并触发分子伴侣介导的应激反应，促进神经退行性变。

**3.2 线粒体质量控制体系**
线粒体通过整合MQC过程（包括生物发生、融合和分裂、蛋白质稳态和线粒体自噬）建立一个动态、不断重塑的网络，其主要成分和作用总结于表1。MQC贡献于线粒体稳态，即线粒体种群的长期代谢适应和维持。特别是，生物发生和线粒体自噬之间的协调平衡确保细胞器的持续更新。线粒体生物发生由能量需求和/或代谢应激触发，主要通过细胞核通过增殖物激活受体γ共激活因子1（PGC1α和PGC1β）调节，后者通过核呼吸因子（NRF1和NRF2）诱导线粒体转录因子A（TFAM）的表达。TFAM在线粒体中负责激活mtDNA转录和复制，从而产生新的细胞器。生物发生过程还涉及核编码线粒体蛋白的合成及其随后输入线粒体。由于新合成的蛋白质易于聚集并可能诱导胞质蛋白质稳态应激，因此转录和蛋白质输入之间的紧密协调至关重要。在出芽酵母中，TOM70发挥进化保守的转录调节作用，协调生物发生和输入以维持胞质蛋白质稳态。此外，衰老相关的TOM70下降导致线粒体功能障碍，而其过表达减弱线粒体缺陷并延长复制性寿命。线粒体自噬选择性清除具有不可逆损伤的功能失调线粒体，通过自噬吞噬和运输到溶酶体进行降解。此过程可由多种应激源触发，包括mtDNA损伤、线粒体膜去极化、线粒体分裂-融合动力学改变、高ROS产生和氧化应激增加。根据招募的受体和/或泛素-自噬衔接蛋白，线粒体自噬可分为泛素依赖性（包括PARKIN依赖性和PARKIN非依赖性通路）、受体介导的泛素非依赖性、脂质（或心磷脂）介导、鞘脂介导或微线粒体自噬。线粒体自噬在哺乳动物发育过程中也发挥重要作用，并在受精后与UPS协作选择性清除父系线粒体。线粒体自噬受损导致缺陷细胞器积累，并促进多种疾病状况，包括神经退行性疾病。线粒体稳态破坏也与ROS和活性氮（RNS）对线粒体的损伤积累有关，可能导致细胞器成分释放到胞质中，触发炎症反应。在这种情况下，可能发生细胞死亡，从而导致代谢和细胞信号机制的严重扰动。由于脑对氧气和葡萄糖的高需求，它是最易受线粒体功能障碍影响的组织之一。确实，线粒体完整性丧失与衰老和神经退行性疾病密切相关。线粒体功能障碍和代谢改变既贡献于这些疾病的发生，也贡献于其进展。同时，神经退行性过程，如淀粉样斑块形成和tau蛋白改变，进一步影响线粒体稳态，建立了线粒体损伤和神经退行性变相互强化的恶性循环。

**3.2.1 线粒体动力学：处于MQC和蛋白质稳态的界面**
线粒体存在于一个高度动态的网络中，通过融合、分裂和沿微管运输不断重塑。这些过程之间的平衡也是维持线粒体稳态的QC过滤器。分裂将具有低膜电位和高ROS的受损线粒体部分与健康网络分离，而融合通过交换mtDNA、代谢物和蛋白质来稀释损伤。mtDNA拷贝被组织成类核，沿线粒体网络分布并与IMM嵴连接，支持细胞分裂期间的遗传和均匀的转录活性。然而，控制类核在线粒体内运输的机制仍不清楚。线粒体动力学的主要调节因子包括动力相关蛋白1（Drp-1）及其衔接蛋白，如线粒体分裂因子（Mff）、分裂蛋白1（Fis-1）和线粒体动力学蛋白MiD49和MiD51，后者在线粒体应激条件下招募Drp-1到分裂位点。GTPase Drp-1介导膜收缩和切割，这是选择性线粒体自噬的先决条件。相反，由位于OMM的GTPase mitofusin-1和mitofusin-2（Mfn1/2）以及IMM上的视神经萎缩1（Opa1）协调的融合，通过促进部分受损和健康线粒体之间的交换来对抗轻度应激。线粒体也通过物理接触与细胞器（如ER、质膜和过氧化物酶体）整合到细胞信号网络中。线粒体相关膜（MAMs），即特化的线粒体-ER接触位点，调节线粒体生物发生、Ca²⁺稳态、脂质代谢和凋亡。最近，在酿酒酵母和人类细胞中描述了一种称为线粒体珠化的可逆形态转变状态，其中线粒体呈现“一串珠子”形态，同时保持膜和基质连续性。珠化最初与应激或动力学改变相关，但现在被认为是一种快速、进化保守的生理反应。与ER的接触对于触发此过程至关重要，其中线粒体钙单向转运体（MCU）和反向成蛋白2蛋白是必需的，而嵴组织调节其频率和持久性。缺乏Drp-1的细胞表现出增加的珠化，可能是由于超融合网络中区室化丧失和机械张力增加，这促进了形态不稳定性的传播。因此，分裂可能具有间接保护作用。线粒体形态和分布也影响细胞生理学。线粒体核周积累可增加氧化应激并调节缺氧响应基因表达。这种结构可塑性允许快速适应环境和细胞内变化，有助于应激管理和细胞命运决定。线粒体动力学与胞质蛋白质稳态通路（特别是UPS）密切相关，后者在蛋白质毒性应激期间调节参与融合和分裂的OMM蛋白的周转和活性。OMM蛋白对代谢、动力学、凋亡、蛋白质输入和信号传导至关重要，由Ub连接酶（包括MULAN、膜相关环指蛋白5（MARCH5）/线粒体泛素连接酶（MITOL）和线粒体相关F-Box蛋白（Mdm）30）通过泛素化调节。例如，MARCH5/MITOL泛素化Drp-1以调节膜组装和活性，而非靶向它进行降解。由于OMM缺乏专门的蛋白酶，许多OMM蛋白的周转主要依赖胞质UPS系统，尤其是在蛋白质毒性应激期间。线粒体可以输入易聚集的胞质蛋白并通过基质蛋白酶降解。此系统失败会破坏蛋白质稳态并激活胞质应激反应。作为一种适应机制，过量的未输入线粒体前体蛋白可暂时被隔离到称为MitoStores的胞质结构中，从而限制其聚集。然而，当线粒体输入应激超过这些保护通路的缓冲能力时，前体蛋白在胞质中积累，从而促进蛋白质聚集并放大蛋白质毒性应激。Mitofusins是蛋白质稳态调节的主要靶点。在酵母中，mitofusin直系同源物Fzo1被26S蛋白酶体降解。类似地，Mfn1和Mfn2是UPS的底物。在Parkin介导的泛素化后，两者通过Vms1-p97/Cdc48复合物从OMM中提取。在应激条件下，Vms1易位至线粒体并参与OMM蛋白提取。除了融合，Mfn2还作为线粒体表面的蛋白质稳态传感器。由于mitofusins大部分暴露于胞质，它们充当线粒体-细胞通信的枢纽。Mfn2对于组成型蛋白质QC至关重要，因为它与胞质分子伴侣（HSC70、Hsp90）和蛋白酶体相互作用以防止蛋白质聚集，这一功能不被Mfn1共享。Mfn2缺失增强聚集，降低TOM20、TOM70、TOM40水平并破坏蛋白质稳态，而不激活经典的细胞应激通路。线粒体动力学改变也影响线粒体蛋白周转。Opa1缺陷的神经元即使在氧-葡萄糖剥夺和再灌注后也显示出增加的线粒体蛋白周转，同时Oma1的强烈上调，表明除了融合缺陷外还有Oma1依赖性应激反应。相反，Drp-1缺陷的神经元在再灌注期间未能显示正常的周转峰值，并逐渐积累受损蛋白质。最近的证据表明，在衰老酵母中，分裂也被激活以将特定的线粒体膜蛋白分离到线粒体衍生区室中，用于通过自噬消除。在哺乳动物细胞中已鉴定出类似的结构，称为线粒体衍生囊泡（MDVs），它们参与抗原呈递和线粒体自噬相关回收通路。最近，一种额外的MQC形式，称为巨线粒体吞噬溶酶体（MMEL），已在缺氧条件下被描述。与通过自噬体-溶酶体通路消除整个功能失调线粒体的线粒体自噬和通过输出选定的线粒体货物到溶酶体进行降解而保留细胞器的MDVs不同，MMEL通过将溶酶体降解机制输入到巨线粒体中促进局部线粒体重塑，同时维持整体细胞器完整性。MMEL目前主要在缺氧应激条件下有记录，尽管需要验证，但进一步扩展了细胞维持线粒体蛋白质稳态和完整性的机制库。总体而言，MQC依赖一个协调的机制层级，包括线粒体动力学、MDVs、MMEL、线粒体自噬以及胞质蛋白质稳态通路（如UPS、分子伴侣、核糖体相关质量控制和自噬-溶酶体降解），以在最小化不必要的细胞器周转的同时维持线粒体完整性。

**3.3 线粒体未折叠蛋白反应：线粒体修复的时间景观**

**3.3.1 线粒体蛋白质毒性应激的感知**
UPRmt是一种从线粒体到细胞核的逆行蛋白质稳态应激信号，触发线粒体分子伴侣（包括HspD1、HspE1和HspA9）和蛋白酶（如LONP1）的表达以恢复稳态。UPRmt的激活由两个主要胞质应激信号的整合产生：增加的线粒体ROS（mtROS）和未有效输入线粒体的前体蛋白在胞质中的积累。mtROS氧化Hsp40，促进Hsp70招募到前体蛋白并释放HSF1，HSF1易位至细胞核并激活UPRmt基因。总体而言，这些信号通路描述了一个复杂的胞质监控系统，能够整合多种线粒体应激信号，强调了线粒体和胞质蛋白质稳态之间密切的功能联系。在此背景下，c-mtProt积累重塑胞质蛋白质稳态，如秀丽隐杆线虫所示，其中线粒体蛋白质稳态的破坏诱导了由脂质生物合成介导的协调胞质反应。在线虫中，UPRmt的中心调节因子是应激激活转录因子（ATFS）-1，它包含一个N末端线粒体靶向序列和一个C末端核定位序列。在生理条件下，ATFS-1通过TOM和TIM复合物输入线粒体基质。一旦输入，线粒体靶向肽被切割，蛋白质被基质蛋白酶LONP降解，该过程需要ATP；因此，适当的氧化磷酸化（OXPHOS）对于防止ATFS-1积累至关重要。在线粒体功能障碍期间，蛋白质输入效率下降，一部分ATFS-1保留在胞质中，随后易位至细胞核，在那里它激活超过600个参与蛋白质稳态、线粒体生物发生和线粒体网络功能恢复的基因。该机制允许细胞间接监测线粒体功能状态。值得注意的是，与OXPHOS蛋白或线粒体分子伴侣的靶向序列相比，ATFS-1的线粒体靶向序列相对较弱，可能使UPRmt在损伤变得不可逆之前早期激活。一旦线粒体输入效率恢复，ATFS-1再次被易位到线粒体并降解，从而有助于终止应激反应。在哺乳动物中，ATFS-1的功能同源物是ATF5，它通过B细胞淋巴瘤2蛋白（BCL-2）表达发挥抗凋亡功能，类似于HSF1。ATF4也与线粒体应激反应相关，并可能转录调节ATF5。线粒体蛋白质输入是线粒体蛋白质毒性应激的指标，并随时间动态变化：在应激期间最初增加以招募分子伴侣和保护因子，但随着损伤积累逐渐下降。用线粒体靶向Hsp90抑制剂Gamitrinib-TPP处理诱导了ATF4、C/EBP同源蛋白（CHOP）以及随后的ATF5表达，与UPRmt的激活一致。这种反应伴随着线粒体内不溶性蛋白质的积累，表明线粒体蛋白质毒性应激。然而，ATF4并不直接激活UPRmt，而是贡献于更广泛的ISR细胞保护程序。与此一致，最近的蛋白质组学研究表明，UPRmt超出了线粒体分子伴侣的诱导，涉及广泛的代谢和蛋白质组重塑以在应激期间保持细胞稳态。在人类细胞中，还鉴定了一种基于激酶激活的额外线粒体应激反应通路，可能由线粒体抗病毒信号蛋白激活。蛋白激酶RNA激活促进转录因子c-Jun N末端激酶（JNK2）的磷酸化。JNK2随后激活c-Jun，这是激活转录因子1的一个组分，从而诱导与线粒体应激相关的核转录反应。

**3.3.2 UPRmt的表观遗传和代谢调控**
UPRmt也与染色质调控紧密相关。在线粒体应激期间，胞质蛋白谱系异常蛋白65（LIN-65）以依赖于组蛋白甲基转移酶MET-2的过程易位至细胞核，促进H3K9组蛋白甲基化和全局染色质压缩，伴随转录沉默。缺陷前胃同源物1（DVE-1）调控的基因保持可及性并变得激活；DVE-1活性进一步由Ub样蛋白5激活和SUMO化抑制调节，后者由Ub样蛋白酶4以及DVE-1和ATFS-1上的修饰逆转。线粒体基质ATP依赖的Clp蛋白酶蛋白水解亚基1，也参与MQC，是LIN-65核易位所必需的，加强了线粒体功能状态与染色质组织之间的紧密整合。UPRmt激活还需要特定去甲基化酶的活性，如哺乳动物中的同源域指蛋白8和Jumonji C结构域蛋白3，而CREB结合蛋白/E1A结合蛋白p300共激活ATFS-1依赖性转录。线粒体代谢通过乙酰辅酶A、氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD⁺）和S-腺苷甲硫氨酸进一步贡献于表观遗传学和UPRmt调控，这些是组蛋白乙酰化和甲基化过程的基本底物。特别是，来自Krebs循环的乙酰辅酶A提供组蛋白乙酰化所需的乙酰基团。在线粒体应激期间，减少的Krebs循环活性降低细胞内乙酰辅酶A水平，促进核小体重塑去乙酰化酶复合物和DVE-1的激活，从而诱导UPRmt。

**3.3.3 线粒体应激反应的系统协调**
在哺乳动物中，应激反应调控还涉及线粒体RNA的加工。线粒体多顺反子转录本经历由RNases和RNA修饰蛋白介导的复杂成熟。编码区之间tRNA基因的特殊排列需要由核酸内切酶锌磷酸二酯酶2（负责tRNA 3'末端的成熟）和由TRNA甲基转移酶10C、线粒体RNase P亚基（MRPP）1、MRPP2和MRPP3组成的线粒体RNase P复合物（处理5'末端）进行精确转录本加工。其中，MRPP3已被确定为UPRmt靶点。在线粒体应激期间，LONP增加MRPP3周转，减少线粒体翻译。除了细胞内机制，由称为线粒体因子的分泌因子介导的细胞外通信也显著贡献于线粒体稳态。这些分子由应激细胞释放，并诱导非细胞自主的UPRmt激活。在秀丽隐杆线虫中，由线粒体应激诱导的神经元信号激活远处组织（包括肠细胞）中的UPRmt。这种系统性反应还促进Wnt依赖性种系mtDNA拷贝数扩增，允许母系遗传升高的mtDNA水平，从而维持UPRmt激活并在后续世代中增加应激抵抗和寿命。总体而言，UPRmt代表一种关键的适应性反应，将线粒体蛋白质毒性应激与旨在恢复线粒体蛋白质稳态和维持细胞稳态的线粒体核信号传导程序耦合。除了诱导线粒体分子伴侣和蛋白酶，UPRmt激活驱动更广泛的转录、蛋白质组和代谢重塑，使线粒体功能和细胞代谢适应当前的应激条件。UPRmt激活对线粒体蛋白质输入效率的依赖性进一步使线粒体功能状态能够转化为核反应，而线粒体因子信号可以将这种适应性反应扩展到应激细胞之外。因此，UPRmt不仅作为蛋白质折叠反应，而且作为一种更广泛的线粒体应激适应机制，其结果取决于应激源的性质、幅度和持续时间。虽然短暂激活可以促进恢复并维持线粒体功能，但持续或未解决的应激可能超过这种适应能力，导致与衰老和疾病相关的线粒体和细胞稳态的渐进性丧失。

**3.4 ER-线粒体接触：从蛋白质稳态到线粒体清除**

**3.4.1 线粒体相关膜作为Ca²⁺信号传导和蛋白质稳态的枢纽**
ER和线粒体之间的物理界面，称为MAMs，是这两个细胞器之间的主要通信枢纽。MAMs是高度动态和可逆的结构，介导ER和线粒体之间的Ca²⁺和脂质转移。MAMs特别富含胆固醇、鞘糖脂和心磷脂，并参与脂质代谢、脂滴形成和细胞能量稳态、线粒体动力学、自噬、凋亡和ER应激反应的调节。其中，由ER定位的肌醇-1,4,5-三磷酸受体（IP3R）、VDAC和分子伴侣葡萄糖调节蛋白（Grp）75形成的复合物支持Ca²⁺进入线粒体。DJ-1也通过MCU调节Ca²⁺流向IMM贡献于此通路。Grp75耗竭使IP3R-VDAC相互作用不稳定并减少ER-线粒体接触。另一个主要的MAMs调节因子是sigma-1受体，一种稳定IP3R、促进ATP合成的分子伴侣，并通过IRE1α和核因子红细胞2相关因子2（NRF2）通路贡献于应激反应。线粒体GTPases Miro1/2和mitofusins，特别是Mfn2，也参与ER-线粒体连接。因此，这些蛋白质的改变损害细胞器间通信和Ca²⁺稳态。ER在细胞蛋白质稳态中发挥核心作用，通过介导进入分泌途径的蛋白质的折叠、成熟和QC。在ER应激期间，MAMs扩张，线粒体重新分布到ER附近，促进Ca²⁺、脂质和氧化还原信号的转移。Ca²⁺稳态在此过程中至关重要，因为许多参与蛋白质折叠的分子伴侣是Ca²⁺依赖性的，包括钙网蛋白、Grp94、BiP和蛋白质二硫键异构酶。钙连接蛋白/钙网蛋白循环和蛋白质二硫键异构酶也通过与肌浆/内质网钙ATP酶和其他离子通道的相互作用参与糖蛋白质量控制与Ca²⁺稳态。氧化还原蛋白和Ca²⁺运输系统在MAMs处富集。ER Ca²⁺通道，包括IP3R和兰尼碱受体，与外线粒体膜蛋白协作促进线粒体Ca²⁺摄取。增强的Ca²⁺转移支持氧化磷酸化和ATP生产。在这些微域内，PERK和内质网氧化还原酶（ERO）1α调节线粒体动力学和能量代谢，而ATF4控制参与氨基酸代谢、氧化还原稳态和线粒体功能的基因。然而，持续的ER应激可能导致过度的线粒体Ca²⁺积累，打开线粒体通透性转换孔并导致细胞死亡。同时，ATF4诱导CHOP，CHOP上调ERO1α表达和ROS产生，促进线粒体功能障碍和凋亡。因此，PERK–ATF4–CHOP–ERO1α轴通过诱导ROS产生、线粒体功能障碍和促凋亡BCL-2家族蛋白表达来放大这些效应。

**3.4.2 线粒体相关膜协调自噬和线粒体质量控制**
近年来，MAMs也已成为自噬的中心平台。尽管自噬体膜的起源多年来一直存在争议，但最近的证据表明，在哺乳动物细胞中，自噬体主要在ER-线粒体接触位点形成，这些位点在细胞应激期间扩张。自噬主要在营养剥夺期间通过unc-51样自噬激活激酶1（ULK1）激活，并涉及几种MAM定位蛋白，包括自噬相关（ATG）14、ATG2、WD重复结构域磷酸肌醇相互作用蛋白1（WIPI1）、Beclin-1和AMBRA1。在饥饿期间，ATG