综述：心血管疾病中线粒体相关内质网膜的动态失衡：机制、背景依赖性与治疗潜力

《Frontiers in Cell and Developmental Biology》：Dynamic imbalance of mitochondria-associated ER membranes in cardiovascular disease: mechanisms, context dependence and therapeutic potential

　　

线粒体相关内质网膜（MAMs）是动态的接触位点，协调内质网（ER）与线粒体之间的结构和功能通讯。通过组织锚定复合物、钙通道、脂质转运装置以及应激响应信号模块，MAMs调控Ca2+稳态、脂质代谢、线粒体动力学、线粒体自噬、氧化应激、内质网应激以及细胞命运决定。越来越多的证据表明，MAMs功能障碍与心血管疾病（CVDs）的发生和发展密切相关，包括动脉粥样硬化、肺动脉高压、心肌缺血/再灌注损伤、心肌梗死、糖尿病性心肌病、扩张型心肌病和心力衰竭。在这些病理背景下，被破坏或过度的ER-线粒体偶联可触发线粒体Ca2+超载、代谢重塑、活性氧积累、炎症激活和程序性细胞死亡。相反，得以保持或适当重塑的MAMs完整性则支持线粒体生物能量学、适应性应激反应以及心肌细胞或血管细胞的存活。本综述总结了主要MAMs相关复合物的分子结构与生物学功能，并讨论了它们在心血管病理生理学中的背景依赖性作用。研究人员进一步强调了将靶向MAMs结构与功能作为恢复细胞器稳态和改善心血管结局的治疗策略所具有的潜力。

2 MAMs的分子组成与基本功能特征

MAMs是线粒体与ER之间的动态接触位点，在自噬、钙信号、脂质代谢和线粒体动力学变化等关键生物学过程中发挥调节作用。其结构基础依赖于一系列蛋白质介导的“锚定复合物”，这些复合物在两个细胞器之间建立稳定且可调控的物理连接，从而为其功能交互提供基础。值得注意的是，MAMs的组成高度动态，不同的系链蛋白不仅有助于结构维持，还在特定的生物学过程中发挥独特的调控作用。随着研究的深入，MAMs相关的信号复合物范围不断扩大。除了经典的IP3R-GRP75-VDAC1复合物、Mfn1/Mfn2复合物、VAPB-PTPIP51复合物和Fis1-BAP31复合物外，近年来还鉴定出如PERK-ATAD3A和FKBP8-PDZD8等复合物的结构。基于此，本节将重点阐述MAMs中主要的物理连接复合物的结构。

2.1 IP3R-GRP75-VDAC复合物

IP3R-GRP75-VDAC1复合物是MAMs内最经典的结构系链单元之一。其中，葡萄糖调节蛋白75（GRP75）作为分子伴侣，桥接ER上的肌醇1,4,5-三磷酸受体（IP3R）和线粒体外膜上的电压依赖性阴离子通道1（VDAC1），建立了两个细胞器之间的功能性偶联。该复合物的稳定性受其组分表达、降解或构象状态变化的影响。研究表明，在肥厚型心肌病、扩张型心肌病、动脉粥样硬化、缺血-再灌注损伤和心力衰竭等病理状态下，心脏功能异常受到IP3R-GRP75-VDAC1复合物的调控。值得注意的是，黄酮单加氧酶2（FMO2）最近被确定为心脏中MAMs定位的调节因子，它支持IP3R2-GRP75-VDAC1复合物，从而维持从ER到线粒体的精确调控的钙信号。

2.2 Mfn1-Mfn2复合物

Mfn1和Mfn2是通常参与线粒体外膜融合的GTP酶。然而，研究表明Mfn2也定位于ER，在那里它与线粒体Mfn1/Mfn2形成同源二聚体或异源二聚体，从而建立ER与线粒体之间的物理连接，并调节接触长度、密度以及ER-线粒体动力学。此外，在不同病理背景下，Mfn1和Mfn2的调控表现出动态差异。值得注意的是，在缺血-再灌注损伤中，Mfn2还可通过RIPK3介导的苏氨酸130位点磷酸化促进ER-线粒体钙超载，从而触发坏死性凋亡，这表明它在不同病理背景下可能具有双重调控功能。

2.3 Fis1-BAP31复合物

Fis1-BAP31复合物是另一个细胞器间的偶联模块。Fis1通过其C端跨膜结构域锚定在线粒体外膜上，而BAP31是一种ER膜蛋白。BAP31的vDED区域与Fis1的TPR结构域的凸面相互作用，支持线粒体与ER之间的物理连接。该模块提供了一个将MAMs与钙稳态和线粒体质量控制联系起来的结构界面。除了与Fis1结合以维持线粒体-ER偶联外，BAP31还与TOM40相互作用，破坏NDUFS4的线粒体定位，从而调节复合物I活性和耗氧量，进而影响整体线粒体功能。

2.4 VAPB-PTPIP51复合物

VAPB定位于ER膜，并通过其保守的主要精子蛋白（MSP）结构域与线粒体外膜蛋白PTPIP51的FFAT样基序相互作用，形成一个稳定的细胞器跨越桥梁，维持MAMs的结构和功能。三维电子显微镜和高速单分子追踪研究显示，VAPB并非静态锚定于MAMs内，而是在秒级时间尺度上动态进出接触位点，同时整体接触结构在宏观上保持稳定。破坏VAPB-PTPIP51相互作用会导致MAMs解离，导致线粒体Ca²⁺摄取减少和三磷酸腺苷（ATP）产生受损。在活性氧（ROS）诱导条件下，PTPIP51-VAPB复合物可通过磷酸化促进可逆的MAMs形成；同时，PTPIP51的TPR结构域将脂质自由基从线粒体运输至ER，从而维持脂质稳态。

2.5 PERK-ATAD3A复合物

ATP酶家族AAA结构域包含蛋白3A（ATAD3A）定位于线粒体内膜，是一种AAA-ATP酶蛋白，在维持MAMs的结构稳定性和功能方面发挥关键作用。ATAD3A通过直接结合ER应激传感器PERK来稳定MAMs复合物，增强ER-线粒体通讯，并竞争性结合eIF2以保护局部线粒体翻译活性，从而缓解由全局翻译抑制引起的ER应激。ATAD3A的结构状态对线粒体功能的调节至关重要。在σ1受体（σ1R）的调控下，ATAD3A以单体形式存在并抑制线粒体碎片化；然而，σ1R缺失或超氧化物歧化酶1（SOD1）突变会导致其二聚化，导致MAMs破坏和线粒体失调。此外，ATAD3A的K134位点可被去乙酰化酶3（SIRT3）去乙酰化，从而维持其寡聚化能力并调节IP3R1-GRP75-VDAC1复合物的钙转运功能。

2.6 FKBP8-PDZD8复合物

另一种非典型的系链模式由ER膜蛋白PDZD8和线粒体外膜蛋白FKBP8介导。该复合物对于MAMs的稳定形成至关重要，任一成分的缺失都会导致膜接触结构的破坏。在高血压模型中，PDZD8过表达通过MAMs结构改善线粒体功能，展现出显著的保护作用。有趣的是，在糖尿病模型中，PDZD8敲低缩短了线粒体-ER接触长度，削弱了VDAC1-IP3R1相互作用，并减轻了ER应激和线粒体钙超载，从而减少了胰腺β细胞凋亡并促进了增殖。

3 MAMs的功能

MAMs不仅是细胞器间物质交换和信号转导的关键平台，也在CVDs的病理进展中发挥重要作用。在缺血性心脏病中，MAMs介导线粒体质量控制过程，包括分裂、融合、氧化应激、线粒体自噬和Ca²⁺稳态调节。在动脉粥样硬化的进展过程中，MAMs上磷脂、葡萄糖和相关蛋白的异常变化可能导致斑块形成和炎症激活。此外，研究表明，设计用于人为缩短线粒体与ER之间距离的人工连接器可以改善线粒体功能并增强心肌细胞活力。

3.1 钙信号传导

细胞内Ca²⁺作为关键的第二信使，在调节能量代谢、基因表达、细胞增殖、凋亡和应激反应等多种基本生物学过程中发挥作用。钙信号的精确时空动态取决于细胞器间的协同相互作用，其中ER作为主要的钙库，通过MAMs促进高效、局部的钙向线粒体转移。这一过程不仅驱动线粒体三羧酸循环和ATP合成，还影响氧化还原平衡和细胞命运决定。钙稳态的维持高度依赖于MAMs介导的微域信号，其破坏可迅速导致线粒体功能障碍、ER应激和过量ROS产生，从而触发炎症、衰老或凋亡通路。

3.1.1 IP3R-GRP75-VDAC中的钙信号传导

MAMs是ER与线粒体之间Ca²⁺交换的关键结构平台。其中，IP3R-GRP75-VDAC1轴被认为是MAMs介导ER与线粒体间Ca²⁺运输的经典结构机制。IP3R位于ER膜上，作为Ca²⁺释放通道，在刺激下开放将Ca²⁺释放到膜接触区域，形成局部钙微域。该钙随后通过GRP75转移到线粒体外膜上的VDAC1，进而激活线粒体内膜上的线粒体钙单向转运体（MCU），促进钙有效摄入线粒体基质。进入线粒体基质的Ca²⁺主要通过位于线粒体内膜上的线粒体钙单向转运体复合物（MCUC）。在生理条件下，适度的线粒体Ca²⁺摄取激活三羧酸循环脱氢酶，增强氧化磷酸化，满足心脏等高能量需求组织的代谢需要；然而，当MAMs过度形成、IP3R-GRP75-VDAC1偶联增强或MCU活性失衡时，持续的Ca²⁺内流可导致线粒体Ca²⁺超载、膜电位下降、ROS产生增加以及细胞死亡通路的激活。近年来，大量研究支持VDAC1和MCU在MAMs钙信号中的关键作用。作为Ca²⁺进入线粒体基质的最终入口，MCU的活性直接决定了线粒体对MAMs处局部Ca²⁺信号的响应强度。随着研究的深入，IP3R-GRP75-VDAC1轴不再被视为一个静态、封闭的三元复合物，而应被理解为一个位于MAMs的动态Ca²⁺运输模块。其功能不仅取决于IP3R、GRP75和VDAC1的表达水平和相互作用强度，还受到MAMs空间距离、翻译后修饰、伴侣蛋白、代谢酶和应激信号状态的共同调节。首先，ER与线粒体之间的空间距离是决定Ca²⁺运输效率的关键结构参数。其次，IP3R-GRP75-VDAC1轴的功能受到关键组分翻译后修饰和蛋白质稳定性调控的影响。此外，MAMs内的多种锚定蛋白和调节因子也可通过改变IP3R-GRP75-VDAC1轴的空间构象或蛋白质相互作用强度来影响Ca²⁺稳态。

3.1.2 非经典MAMs结构调节钙流

除了IP3R-GRP75-VDAC1等经典的Ca²⁺运输三元复合物外，近期研究进一步揭示，Mfn2、VAPB-PTPIP51、PDZD8、FUNDC1、BCL-2相关卵巢杀手（BOK）和丙酮酸脱氢酶激酶4（PDK4）等蛋白也参与MAMs的形成、稳定和钙信号调节。根据其主要作用方式，这些蛋白大致可分为三类：几何锚定/间距调节因子、结构稳定蛋白以及应激或代谢条件下的放大器。Mfn2、VAPB-PTPIP51和PDZD8充当几何锚定/间距调节因子，它们决定ER/肌浆网（SR）来源的Ca²⁺微域是否处于线粒体有效接收范围内。然而，物理接近本身并不能保证有效的Ca²⁺转移。结构稳定蛋白主要通过稳定MAMs蛋白复合物或Ca²⁺释放通道，决定结构相互作用能否转化为有效的Ca²⁺流。FUNDC1是该类的关键代表，它定位于线粒体外膜，不仅参与MAMs形成，还结合IP3R2以抑制其泛素化和蛋白酶体降解，从而增强从ER/SR到线粒体的Ca²⁺运输。应激和代谢敏感因子进一步重塑MAMs结构与Ca²⁺流之间的关系。PDK4是一个典型的背景依赖性调节因子。

3.2 脂质代谢的调节

MAMs不仅是细胞内钙信号的关键枢纽，也是脂质合成、重塑和非囊泡运输的关键平台。因此，它们在维持线粒体膜脂质稳态、调节能量代谢和决定细胞命运方面发挥核心作用，并在CVDs中显示出潜在的调节意义。研究表明，多种MAMs定位蛋白共同参与ER与线粒体之间的脂质交换和功能整合。除了维持脂质稳态，MAMs相关的脂质代谢也与线粒体质量控制密切相关。在心血管疾病的背景下，MAMs介导的脂质代谢异常已显示出明确的病理意义。

3.3 线粒体动力学与内质网应激的交叉调控

MAMs作为介导细胞器间结构偶联和信号转导的关键平台，建立了线粒体动力学与ER应激之间高度协调的调控网络。ER应激激活未折叠蛋白反应（UPR），其关键效应分子PERK和IRE1定位于MAMs，通过调节钙信号、代谢重编程和线粒体形态动力学来调节线粒体功能。值得强调的是，ER应激对线粒体动力学的影响并不局限于促进线粒体分裂，而是表现出明显的阶段性和双相特征。在此过程中，Mfn2不仅作为线粒体外膜融合的关键蛋白参与线粒体形态维持，还通过其与PERK的相互作用调节ER应激反应和线粒体功能稳态。线粒体动力蛋白也可以作为ER应激信号的整合节点，参与细胞损伤或适应性反应的调节。除了Mfn2，其他调节MAMs结构和线粒体形态的分子也参与了这一交叉调控网络。总之，MAMs不仅仅是被动的结构连接点，更是整合ER应激、Ca²⁺信号、氧化还原稳态、线粒体动力学和线粒体质量控制的关键枢纽。

4 心血管疾病中的MAMs失衡

在CVDs中，MAMs功能障碍不能仅从单个系链蛋白的丰度或ER-线粒体接触的数量推断，而应反映接触距离、长度、空间分布、分子组成和翻译后调控的协同变化，以及由此改变的Ca²⁺和脂质流。这种重塑的功能后果取决于细胞类型、代谢需求和疾病阶段。更大的细胞器偶联在支持线粒体能量产生时可能是适应性的，但当驱动持续性线粒体Ca²⁺超载时则有害。相反，减少的偶联可能限制急性Ca²⁺超载，但在疾病后期阶段会损害生物能量学、线粒体自噬或组织修复。因此，MAMs重塑最好被理解为一种背景依赖性的连续谱，而非统一有益或有害的变化。

4.1 动脉粥样硬化（AS）

AS是一种主要以动脉内膜脂质沉积和慢性炎症反应为特征的血管疾病。MAMs作为ER与线粒体之间的动态膜接触结构，不仅参与细胞内Ca²⁺稳态、脂质代谢和能量转换，还在氧化应激、炎症放大和细胞命运调控中发挥关键作用。近期研究表明，AS的发生发展常伴随MAMs的结构和功能失衡，异常主要表现为Ca²⁺运输紊乱、ER应激加剧、线粒体损伤加重以及相关锚定蛋白和调节分子的异常表达。首先，MAMs介导的Ca²⁺稳态破坏被认为是驱动AS发展的关键机制之一。ER应激可进一步将改变的细胞器间偶联转化为自我放大的炎症反应。鉴于这一点，越来越多的研究进一步表明，MAMs相关的锚定蛋白和调节分子本身直接参与AS的病理过程，其中PACS2、Mfn2、PDK4和DRP1尤为引人关注。MAMs的动态失衡还超越了接触几何形状，延伸至其分子组成以及与线粒体代谢和动力学的偶联。对PDK4和DRP1的研究进一步揭示了MAMs失调与线粒体代谢重编程、线粒体动力学失调和炎性细胞死亡之间的密切联系。

4.2 肺动脉高压（PH）

PH的发生和发展不仅归因于线粒体功能障碍，更反映了MAMs的重塑导致Ca²⁺运输、脂质代谢、应激反应和线粒体质量控制等多个过程的协同失衡。作为MAMs的关键结构蛋白，Mfn2在PH进程中也发挥着关键的调节作用。除Mfn2外，FUNDC1介导的线粒体自噬在PH中的作用也备受关注，但现有研究表明其功能具有显著的细胞类型特异性。除了MAMs连接蛋白和线粒体自噬，异常的线粒体动力学也参与了缺氧性PH的发生。值得注意的是，PH相关的MAMs重塑不仅限于肺血管系统，还延伸到右心室重构和失代偿的过程。

4.3 心肌缺血/再灌注损伤（MIRI）

在涉及MIRI和心肌梗死（MI）的情况下，MAMs作为连接ER和线粒体膜的动态功能平台，其结构完整性和相关蛋白复合物在细胞命运调控中发挥重要的调节作用。越来越多的研究表明，MAMs失调不是一个单向过程，而是在病程的不同阶段以不同形式表现：在急性再灌注期，MAMs通常表现出异常增强的偶联，导致钙超载和线粒体损伤；而在梗死后重塑或基线稳态维持期间，MAMs连接不足或结构崩溃同样会破坏细胞稳态并加剧心肌损伤。在急性再灌注期，MAMs的过度偶联促进了从ER到线粒体的异常钙运输，从而诱导线粒体钙超载并加剧细胞死亡。与急性期不同，在心肌梗死后的重塑和心肌稳态维持过程中，MAMs持续的结构损伤也起着致病作用。值得注意的是，Mfn2在不同病理背景下的作用表现出明显的阶段特异性和背景依赖性。