线粒体-内质网接触位点在神经系统疾病中的病理重塑与治疗靶点价值

《Animal Cells and Systems》：Mitochondria-ER contact sites in neurological disorders

　　

线粒体相关内质网膜（MAMs）是介导内质网与线粒体之间信号传递的细胞器间接触位点。MAMs在钙离子（Ca2+）转运、脂质代谢、线粒体呼吸、蛋白质稳态、自噬及内质网应激中发挥关键作用。在中枢神经系统（CNS）中，这些功能尤为重要，因为神经元和胶质细胞需要内质网与线粒体之间的精确通讯以维持多种神经元功能。既往研究常将疾病相关的MAM功能障碍解释为内质网-线粒体偶联的改变。然而近期研究已开始将MAMs视为功能特化的信号平台，其分子组成具有动态性、细胞类型依赖性及疾病阶段依赖性。本文讨论了MAM重塑如何构成一系列神经系统疾病的病理基础，涵盖神经退行性疾病与神经发育障碍、神经精神疾病、神经炎症、神经元衰老及脑肿瘤等。

论文主体内容总结

1. 引言

线粒体相关内质网膜（MAMs），亦称内质网-线粒体接触位点（ERMCSs）或线粒体-内质网接触（MERCs），是紧邻线粒体外膜（OMM）的特化内质网亚结构域，二者间距通常为10–30 nm，不发生物理性膜融合。MAMs作为内质网与线粒体之间信号转导的枢纽，其功能涵盖钙离子（Ca²⁺）信号传导、脂质转运、线粒体动力学及细胞应激反应。这些功能通过多种锚定复合物和信号蛋白的动态组装实现，例如IP3R-GRP75-VDAC1复合物、VAPB-PTPIP51复合物以及MFN2等。早期研究将MAMs描述为内质网与线粒体之间磷脂和Ca²⁺转运的特化平台，随后研究进一步将MAMs与线粒体动力学联系起来。近年来，更高分辨率的研究视角显示MAMs具有动态调控、分子异质性和细胞类型特异性特征。当前研究聚焦于特定锚定复合物的详细机制、纳米尺度间距、相互作用的持续时间与模式、疾病特异性的内质网-线粒体接触重塑，以及MAM动力学的潜在疾病特异性输出。在神经系统中，高度极化、区域化且能量需求极高的神经元需要内质网与线粒体之间的紧密偶联通讯，MAMs通过物理连接两种细胞器，介导Ca²⁺瞬变与线粒体能量输出及底物导入的直接偶联，并精细调控脂质稳态和细胞器动力学。MAM功能障碍既可源于核心MAM相关蛋白的致病性变异，也可源于疾病进程中MAM相关蛋白的疾病相关改变。多种神经系统疾病表现出相似的细胞病理特征，包括线粒体功能障碍、内质网应激、脂质稳态紊乱、异常Ca²⁺动力学及自噬-溶酶体通路缺陷，提示这些疾病的共同细胞病理可能与MAM完整性破坏相关。

2. MAM与神经退行性疾病

2.1 阿尔茨海默病

阿尔茨海默病（AD）是最常见的神经退行性疾病和痴呆的首要病因。MAM重塑被认为是AD发病的早期特征。家族性AD遗传学与淀粉样蛋白加工介导AD相关的内质网-线粒体功能障碍，早老素1和2作为γ-分泌酶复合物的催化活性部分富集于MAMs，致病性早老素突变增强内质网与线粒体之间的偶联、增加MAM活性并升高Ca²⁺通量。APP前体、C端片段C99、β-分泌酶及γ-分泌酶均定位于MAMs。研究还发现早老素突变细胞和AD患者来源成纤维细胞中PS转运增加、PE合成增强、ACAT1活性升高及CE含量增加，将MAM功能障碍与磷脂和胆固醇代谢异常联系起来。MAM的数量和大小随AD分期、细胞类型、模型系统及环境应激而调节。AD患者脑组织中VAPB-PTPIP51锚定受损，SIGMAR1、GRP75、TOM70/IP3R3及MFN2等关键MAM调控因子对AD条件敏感。C99在MAMs的积累导致鞘脂和胆固醇代谢异常、线粒体膜组成改变、呼吸超复合物完整性降低及OXPHOS受损。APOE4和ATAD3A介导的MAMs胆固醇积累与脂滴（LDs）重塑及致病性APP加工改变相关，诱导神经毒性。

2.2 帕金森病

帕金森病（PD）以黑质致密部多巴胺能神经元进行性退变和α-突触核蛋白聚集体胞内积累为特征。α-突触核蛋白定位于MAMs，其致病性突变损害磷脂代谢、线粒体生物发生和ATP产生等MAM相关通路。病理形式的α-突触核蛋白增加MAM Ca²⁺浓度，同时扰乱VAPB-PTPIP51锚定机制，导致内质网与线粒体物理距离增加，降低线粒体摄取Ca²⁺和产生ATP的能力。PINK1/Parkin系统将MAMs与线粒体自噬联系起来。线粒体去极化时PINK1在OMM积累并招募Parkin，随后PINK1和BECN1转位至MAMs调控内质网-线粒体接触并促进自噬体形成。PINK1或Parkin通路受损可独立导致MAM失调、Ca²⁺稳态紊乱和线粒体更新失败。Parkin还可通过CISD1调节IP3R活性以控制内质网至线粒体的Ca²⁺流入。LRRK2 G2019S突变导致PERK依赖性MFN2降解和随后的MAM不稳定。DJ-1作为分子伴侣抑制α-突触核蛋白聚集、稳定IP3R3-GRP75-VDAC1复合物，并通过上调解偶联蛋白4/5（UCP4/UCP5）限制活性氧（ROS）产生。PD相关的PLA2G6与IP3R1-GRP75-VDAC1相互作用以促进内质网-线粒体接触和Ca²⁺转运。

2.3 肌萎缩侧索硬化

肌萎缩侧索硬化（ALS）以运动神经元进行性退变为特征。ALS/FTD相关的TDP-43和FUS通过GSK-3β激活破坏VAPB-PTPIP51锚定完整性，导致内质网-线粒体偶联和Ca²⁺转运受损。ALS相关突变SOD1在MAMs积累，扰乱BCL-2/VDAC1依赖性Ca²⁺和ADP/ATP交换。SIGMAR1是MAM富集的分子伴侣，正常情况下稳定IP3R介导的内质网至线粒体Ca²⁺转运以维持线粒体呼吸。致病性SIGMAR1突变导致SIGMAR1从MAMs解离、IP3R降解及内质网-线粒体解偶联。MAMs还作为应激反应和蛋白质稳态中心发挥作用。TBK1通过SIGMAR1依赖性锚定MAM驻留的E3泛素连接酶AMFR/gp78在MAMs被激活，MAM完整性丧失损害TBK1激活，诱导神经元应激反应，驱动错误折叠蛋白聚集和运动神经元退变。SIGMAR1负向调控ATAD3A二聚化，SIGMAR1缺失允许ATAD3A依赖性DRP1招募，导致线粒体碎片化、OXPHOS受损、ROS过量产生、内质网应激和UPR失调。VAPB P56S突变导致内质网-线粒体解偶联、线粒体功能障碍、运动神经元放电减少及DELE1-eIF2-ATF4整合应激反应（ISR）激活。ALS中MAM功能障碍还与葡萄糖来源丙酮酸利用减少、脂肪酸依赖性增加、线粒体电子传递受损及脊髓中复合物I状态改变相关。

2.4 遗传性痉挛性截瘫

遗传性痉挛性截瘫（HSP）是由长皮质脊髓神经元进行性远端轴突变性引起的遗传异质性疾病。REEP1定位于MAMs并调节线粒体Ca²⁺信号、生物能量学和细胞器定位。TMEM63C是富集于MAMs的另一种内质网蛋白，TMEM63C双等位基因突变导致纯合型和复杂型HSP，其缺失导致内质网片层扩张和极度延长的超融合线粒体产生。spastin的M1亚型选择性富集于MAMs并调控MAM数量和完整性，运动神经元中spastin下调增加MAM数量、导致形态正常线粒体丢失并破坏内质网-线粒体Ca²⁺稳态。spastin M1还调控内质网-脂滴（ER-LD）组织，SPAST基因突变导致ER-LD网络、中性脂质和磷脂水平改变。ARL6IP1是HSP相关的MAM相关因子，通过LC3B和BCL2L13相互作用调节自噬/线粒体自噬，其在神经元中的异位表达可减少HSP模型中的神经炎症和神经退行性病理。

2.5 Wolfram综合征

Wolfram综合征是一种罕见的神经退行性疾病，通常由WFS1或CISD2突变引起。WFS1通过调节NCS1-IP3R-VDAC1轴控制内质网至线粒体的Ca²⁺通量，进而驱动线粒体Ca²⁺摄取、三羧酸（TCA）循环、OXPHOS和ATP合成。WFS1缺失使该轴失稳，损害MAM Ca²⁺通量和线粒体生物能量学，而WFS1缺陷细胞中重新导入NCS1可挽救MAM结构和功能。WFS1 E864K突变也使MAMs失稳，导致Ca²⁺通量降低、线粒体生物能量学受损及自噬/线粒体自噬受损。神经元中WFS1缺失导致内质网Ca²⁺耗竭、线粒体Ca²⁺摄取减少、NADH/NAD⁺平衡失调和ATP降低。CISD2定位于MAMs，其缺失导致内质网应激时MAM Ca²⁺转运增强和线粒体Ca²⁺超载，伴随MAM数量增加和应激条件下OXPHOS缺陷。WFS1和CISD2协同维持IP3R功能和整体Ca²⁺稳态，SIGMAR1激活可恢复MAM Ca²⁺转运，改善Wolfram综合征临床前模型中的线粒体功能障碍。

3. MAM与神经发育障碍

3.1 自闭症谱系障碍

自闭症谱系障碍（ASD）是一组异质性神经发育障碍。ASD相关的细胞器研究常以内质网-线粒体Ca²⁺偶联来描述，因为MAM Ca²⁺转运支持TCA循环、ATP产生、突触成熟和环路精修。多种单基因ASD/智力障碍综合征中IP3R介导的内质网Ca²⁺释放存在共同缺陷。PDZD8是ASD与MAMs之间特征最明确的分子联系，其基因破坏导致罕见的智力发育障碍伴自闭症和面部畸形综合征（IDDADF）。PDZD8是内质网-线粒体锚定蛋白和脂质转运蛋白，可促进MAM范围并调控神经元中突触诱发的MAM Ca²⁺转运。PDZD8与FKBP8形成直接的内质网-线粒体锚定并影响线粒体功能。

3.1.1 脆性X综合征

脆性X综合征（FXS）由FMR1/FMRP基因缺失引起，是遗传性智力障碍最常见的病因，也是ASD的主要单基因病因。FMRP可直接结合VDAC1并精细调控IP3R-GRP75-VDAC1复合物介导的Ca²⁺转运过程。FMRP缺失导致内质网-线粒体接触过度增加，加速Ca²⁺转运和线粒体Ca²⁺超载，进而影响氧化还原平衡、OXPHOS、线粒体自噬和线粒体质量控制，破坏突触结构和可塑性。FMRP的C端结构域（FMRP-C）保留VDAC1结合能力但丧失经典RNA结合功能，其在FXS小鼠模型中的重新表达可完全恢复MAM组织并挽救突触、运动和认知缺陷。FMRP还独立于MAM锚定组织线粒体动力学，定位于轴突和树突线粒体并调控MFF翻译以促进线粒体分裂，其缺失导致线粒体分裂动力学和核仁组织缺陷。

3.2 发育性癫痫性脑病-66

发育性癫痫性脑病-66（DEE66）是一种罕见的常染色体显性遗传病，以早发性癫痫、全面发育迟缓、智力障碍、肌张力低下及小脑畸形为特征。磷酸呋喃酸性簇分选蛋白2（PACS2）是MAMs的关键调控因子，其突变导致内质网-线粒体通讯缺陷，构成DEE66的核心致病机制。CK2A1介导的PACS2 Ser207/208/213磷酸化将CK2A1-PACS2-PKD2复合物定位至MAMs，调节PKD2依赖性线粒体Ca²⁺内流。DEE66中的PACS2 E209K和E211K变异无法诱导PACS2磷酸化介导的MAM信号传导并损害MAM完整性。PACS2 E209K还可损害PACS2蛋白质稳态并增强与14-3-3?的相互作用，使细胞在应激条件下对细胞死亡高度敏感。

4. MAM与神经精神疾病

4.1 精神分裂症

精神分裂症风险蛋白精神分裂症断裂基因1（DISC1）通过EXOC1依赖性方式与IP3R1在MAMs相互作用，调节内质网Ca²⁺动力学。DISC1在MAMs的定位防止过量Ca²⁺从内质网流向线粒体。神经元应激条件下DISC1缺失破坏PKA依赖性IP3R1调节，增加MAM形成、线粒体Ca²⁺摄取和ROS产生。患者来源脑类器官为在神经发育背景下探究线粒体和MAMs的疾病相关特征提供了平台。靶向SIGMAR1（精神分裂症相关MAM分子伴侣）的化合物可调节Ca²⁺动力学、内质网应激、错误折叠蛋白和线粒体功能。

4.2 双相情感障碍

双相情感障碍（BD）是一种慢性情绪障碍。BD患者iPSC来源的皮质神经元中MAMs减少，离子转运、神经传递和Ca²⁺信号通路在BD患者来源类器官中富集。早期BD患者来源的真皮成纤维细胞表现出MAM结构改变、脂滴积累和脂质转运增加、氧化应激增强、内质网应激/UPR信号激活及NLRP3炎症小体基础激活。尽管内质网与线粒体之间距离增加，但由于内质网Ca²⁺储存减少和储存操作性Ca²⁺内流（SOCE）缺陷，MAM Ca²⁺通量降低，提示MAM丰度与其功能强度并不直接相关。Wolframin定位于MAMs并调节内质网Ca²⁺处理和内质网-线粒体通讯，Wolfram综合征与BD和精神分裂症等精神疾病高度相关。

4.3 重度抑郁症

重度抑郁症（MDD）是一种发作性精神疾病。慢性社交挫败应激中，抑郁样行为与小胶质细胞内质网应激和线粒体损伤相关，伴随内质网与线粒体间距改变及IP3R3-GRP75-VDAC1复合物形成增加以促进MAM Ca²⁺转运。MFN2减少导致线粒体形态、呼吸及内质网-线粒体接触改变，并产生抑郁样行为，重新表达MFN2可逆转这些缺陷。慢性应激海马神经元中DRP1激活导致过度内质网-线粒体偶联、线粒体功能障碍和自噬减少及抑郁样行为，破坏GRP75介导的MAM或增强自噬可逆转这些缺陷。SIGMAR1敲除小鼠表现出抑郁样行为，SIGMAR1多态性与MDD之间存在显著遗传关联。

5. 其他：神经炎症、癌症与衰老

5.1 多发性硬化

多发性硬化（MS）是一种慢性炎症性中枢神经系统疾病。Rab32是富集于MAMs的小GTP酶，在MS患者脑组织和EAE组织中与内质网应激标志物一同上调。Rab32过表达可导致线粒体功能障碍、神经突缺陷和凋亡/坏死性凋亡，提示内质网应激介导的MAM重塑可能促进神经轴突易损性。在慢性EAE中，醋酸格拉替雷可改善内质网应激和线粒体功能障碍，并恢复PACS2、VDAC1及MFN2等MAM相关标志物。

5.2 胶质母细胞瘤适应中的MAM重塑

胶质母细胞瘤（GBM）是一种高度侵袭性和代谢异质性的脑肿瘤。MAM重塑促进代谢重编程、应激抵抗、抗凋亡和持续致癌信号传导。MAMs处IP3R3介导的Ca²⁺释放与GBM侵袭相关，咖啡因抑制IP3R3可降低肿瘤侵袭能力。GRP75抑制剂MKT-077抑制MAM信号传导可诱导细胞毒性、降低干性并增强药物反应性，提示IP3R-GRP75-VDAC轴是促肿瘤的Ca²⁺/代谢模块。IP3R1参与线粒体氧化还原稳态并促进DRP1招募激活，导致GBM发展。细胞骨架元件作为MAM组装和跨细胞器Ca²⁺通量的调控支架，GRP75与中间丝蛋白波形蛋白在高等级GBM中共同上调。

5.3 MAM与神经元衰老和细胞衰老

衰老和细胞衰老过程中MAM结构和功能被动态重塑，内质网至线粒体Ca²⁺转运是线粒体代谢、氧化还原稳态和衰老细胞存活的主要决定因素。长期培养海马神经元中内质网Ca²⁺储存升高、SOCE降低、MCU上调、MAM Ca²⁺转运增强，伴随内质网-线粒体偶联收紧。细胞衰老增加MAM接触但降低Ca²⁺转运，原因是IP3R亚型减少和IP3R1-VDAC1偶联降低，揭示衰老过程中接触位点的结构-功能解偶联。镉诱导的神经元衰老中SIGMAR1经ERAD依赖性降解导致内质网-线粒体偶联不稳定，增加胞质Ca²⁺、降低线粒体Ca²⁺水平并激活p53信号。神经元中PDZD8缺失导致MAMs丢失和线粒体更新增加，果蝇中表现为运动衰老降低和寿命延长。衰老肠道干细胞中补充线粒体Ca²⁺可重新激活正反馈MAM-IP3R通路，恢复自噬并促进组织稳态年轻化。

6. 结论与未来展望

内质网-线粒体接触位点已被呈现为动态的、分子水平的、细胞类型特异性的、功能特化的界面，持续受到应激、代谢刺激、炎症、衰老和神经元活动的重塑。在神经退行性疾病、神经发育和神经精神疾病、神经元衰老及脑肿瘤中，MAMs被证明是病理重塑的反复出现位点。尽管各疾病中重塑方向不同，MAM重塑伴随Ca²⁺信号、线粒体代谢、脂质稳态、蛋白质稳态和应激适应通路的共同改变。SIGMAR1、WFS1和PDZD8等蛋白参与多种神经系统疾病，强调MAMs是这些疾病病理作用的共同位点。关键可能在于内质网-线粒体接触位点的"质量"而非"数量"，接触位点数量增加并不代表Ca²⁺转运增强，减少也不意味着MAM功能丧失。病理MAM重塑涉及Ca²⁺微结构域、脂质转运、线粒体氧化还原状态、自噬-溶酶体通量、内质网蛋白质质量控制或炎症信号通路的选择性改变，取决于细胞类型和疾病阶段。未来研究需定义分期和细胞类型特异性的MAM重塑，描绘重塑的结构和功能性质，鉴定负责的介导因子和调控模块，并开发调节MAM活性的化学或分子工具。