综述：DRP1、线粒体分裂与细胞凋亡

这篇综述聚焦于动力相关蛋白 1（DRP1），详细阐述其在转录、翻译及翻译后修饰等多层次的活性调控机制。探讨 DRP1 在介导线粒体分裂过程中的关键作用，以及线粒体分裂与细胞凋亡的紧密联系，为疾病诊疗研究提供新视角。

　　

DRP1、线粒体分裂与细胞凋亡

线粒体作为真核细胞的 “能量工厂”，不仅为细胞活动提供能量，还参与众多生物合成、分解代谢反应，在细胞凋亡等过程中至关重要。线粒体始终处于动态变化中，通过分裂和融合维持形态结构与功能的平衡。线粒体分裂受 DRP1（dynamin-related protein 1）、Mff、Mid49/51、Fis1 等分子调控，其中 DRP1 起主导作用。在应激或病理状态下，线粒体分裂可促使其向 “碎片化” 转变，参与线粒体质量控制（MQC），影响线粒体代谢和自噬。而且，线粒体分裂常与细胞凋亡同时发生，二者的关联在神经退行性疾病和肿瘤发展中意义重大。深入研究 DRP1 有助于揭示多种疾病机制，为诊断和治疗提供新思路。

DRP1 基因与分子结构特征

编码 DRP1 蛋白的基因 DNM1L 位于 12p11.21，由 21 个外显子组成，全长 66,451 碱基对。DRP1 蛋白有 9 种剪接变体，从结构上可分为四个结构域。GTP 酶结构域主要负责结合和水解 GTP；中间结构域参与 DRP1 分子的自组装和聚合；可变结构域（VD）调控 DRP1 聚合，影响其复合物螺旋曲率，且多数翻译后修饰位点位于该区域；GED 结构域在三维结构中与 GTP 酶结构域相互作用，调节激活 DRP1 的 GTP 酶活性。此外，与动力蛋白超家族其他成员类似，DRP1 的 GTP 酶结构域是催化结构域，柄部由中间结构域和 GED 结构域组成，同时裂变动力蛋白超家族成员还有连接柄部和 G 结构域的束状信号元件（BSE），VD 是柄部附近独特的插入序列。

线粒体分裂过程

线粒体分裂是一个复杂的多步骤过程。首先，内质网（ER）在分裂位点约束线粒体，ER - 线粒体接触界面处的肌动蛋白调节因子 INF2 和 Spire1C 协同促进肌动蛋白聚合，肌球蛋白 II 结合肌动蛋白丝，将线粒体在分裂位点缢缩成管状，Cofilin、Cortactin、Arp2/3 复合物等肌动蛋白结合蛋白也可能参与其中。接着，线粒体表面的 DRP1 受体（Mff、Mid49/51、Fis1）招募 DRP1。虽然 Fis1 在体外能结合 DRP1，但敲除 Fis1 对线粒体分裂影响较小，不过它在应激诱导的线粒体分裂中参与形成含 DRP1、Mff 和 MAMs 相关蛋白的复合物。Mff 和 Mids 都能独立招募 DRP1，Mff 对线粒体分裂影响最大，在招募中起主导作用，二者在线粒体分裂中具有协同效应。研究发现，Mff 可招募激活的、寡聚化的 DRP1，Mids 招募非激活的、二聚化的 DRP1。在脂质体模型中，Mff 与 DRP1 结合可上调其 GTP 酶活性，Mid51 结合则抑制该活性。当 DRP1 组装完成，与 Mids 空间定位相同的 Mff 结合 DRP1 并激活其 GTP 酶活性，促进分裂位点的切断作用。此外，DRP1 在线粒体分裂位点的组装和招募还涉及多个位点的磷酸化调控，以及对聚合肌动蛋白、肌球蛋白 2 和 INF2 的招募和激活。

DRP1 活性的调控

DRP1 活性在转录、翻译及翻译后修饰等多个层面受到复杂调控，形成精密的调控网络，确保其功能在时空上的精准执行。

• 转录和翻译水平调控：目前关于 Drp1 转录调控的研究较少。已有研究表明，P53 可结合 DNM1L 启动子区域上调 DRP1 转录，抑制 P53 会阻碍线粒体分裂和细胞凋亡激活；c-Myc 通过 miR-373-3p 在转录水平上调 DRP1 表达，参与肝癌发展的病理生理过程。在翻译水平，RNA 结合蛋白 Hu 抗原 R（HuR）结合 DRP1 RNA 的 3'' 非翻译区，保证 DRP1 翻译，敲低 HuR 会下调 DRP1 表达，促进线粒体融合；异质核核糖核蛋白 A1（hnRNP A1）直接与 DRP1 mRNA 的 3’UTR 区域相互作用，增强翻译过程但不影响 mRNA 稳定性，抑制 hnRNP A1 导致线粒体融合，过表达则促进线粒体分裂。不过，DRP1 在转录和翻译水平表达的具体机制仍有待进一步研究。
• 翻译后修饰调控：翻译后修饰是调节 DRP1 功能的主要方式，其中磷酸化修饰研究最为广泛。在细胞增殖和发育过程中，DRP1 的磷酸化修饰对其功能的有序时空调控至关重要。有研究发现，在有丝分裂期间，细胞周期蛋白 B1/Cdk1 复合物使 DRP1 的 Ser-585 位点磷酸化，促进 DRP1 在线粒体外膜聚集，维持线粒体短棒状形态，便于其分配到子细胞；有丝分裂结束后，子细胞中的线粒体恢复网状形态。PINK1 使 DRP1 的 Ser616 位点磷酸化，对脊髓树突和轴突的成熟起促进作用，这是神经元发育的关键过程。在生理条件下，CDK19/Cdk8 使 DRP1 的 Ser616 位点磷酸化，驱动线粒体分裂，维持线粒体系统正常功能，且 CDK19/Cdk8 可挽救 PINK1 突变导致的 DRP1 功能障碍，暗示其突变或缺失可能是帕金森病的病因之一。在各种应激或病理状态下，DRP1 的磷酸化状态是影响线粒体功能的关键因素，与细胞凋亡密切相关，参与多种疾病的发生发展。细胞周期蛋白依赖性激酶（CDK）可通过磷酸化 DRP1 多个位点在多种疾病和病理生理过程中发挥作用。在辐射诱导的视神经病变中，CDK5 使 DRP1 的 Ser616 位点磷酸化，促进线粒体分裂，影响线粒体功能，与疾病进展紧密相关；在 NMDA 诱导的神经元死亡中，CDK 使 DRP1 的 Ser585 位点磷酸化，引发线粒体分裂，干预该过程可减轻神经元死亡；在阿尔茨海默病（AD）模型中，CDK5 使 DRP1 的 Ser579 位点磷酸化，促进线粒体分裂，增强神经元对 Aβ 的敏感性，导致神经退行性疾病。此外，多种激酶可磷酸化 DRP1 的特定位点参与不同病理过程。在骨关节炎（OA）病理中，TANK 结合激酶 1（TBK1）激活后使 DRP1 的 Ser616 位点磷酸化，推动疾病进展；在肾纤维化病理过程中，TGF-β 诱导 DRP1 的 Ser616 位点磷酸化起重要作用；在 LPS 诱导的炎症反应中，信号转导和转录激活因子 2（Stat2）使 DRP1 的 Ser616 位点磷酸化，促进 DRP1 在线粒体上积累，在巨噬细胞分化中发挥重要作用；在涉及巨噬细胞的各种炎症反应中，蛋白激酶 Cδ（δPKC）使 DRP1 的 Ser616 位点磷酸化，诱导线粒体分裂；在亨廷顿病（HD）病理中，丝裂原活化蛋白激酶 1（MAPK1）使 DRP1 的 Ser616 位点磷酸化，导致线粒体碎片化；在辐射应激下，CaMKII 使 DRP1 的 Ser-616 位点磷酸化，介导线粒体分裂，参与细胞凋亡过程。同时，在多种疾病进展中还发现 DRP1 不同位点的磷酸化。IFN-β 可磷酸化激活 STAT5，STAT5 上调 PGAM5 表达，进而促进 DRP1 在 Ser643 位点去磷酸化，为 CaMKIIα 使 DRP1 的 Ser622 位点磷酸化创造条件，促进线粒体分裂，参与多种神经退行性疾病病理过程；Rho 相关卷曲螺旋蛋白激酶（ROCK1）使 DRP1 的 Ser600 位点磷酸化，促进线粒体分裂，在高血糖诱导的微血管病变病理中，促进线粒体活性氧（mtROS）生成和细胞凋亡；在肌肉细胞中，AMPK 使 DRP1 的 Ser637 位点磷酸化，促进线粒体融合，可对抗高脂肪饮食（HFD）处理下的线粒体分裂和功能障碍，参与脂肪肝病理过程；糖原合酶激酶 3β（GSK3β）可使 Ser40/44 位点磷酸化促进线粒体分裂，增加神经元对 Aβ 的敏感性，促进神经元凋亡，但在氧化应激下，它使 Ser693 位点磷酸化，促进线粒体融合，增强细胞应激抵抗能力；c-Abl 可使苏氨酸在 266、368 和 449 位点磷酸化，驱动线粒体分裂和细胞凋亡，导致氧化应激下神经元丢失。除激酶外，磷酸酶在 DRP1 活性调节中也意义重大。ROCK1 可上调 PP1 和 PP2A 活性，使 DRP1 的 Ser637 位点去磷酸化，激活 DRP1 活性，促进其在线粒体聚集，导致线粒体分裂；在 MPTP 诱导的帕金森病（PD）模型中，ROCK1 参与 DRP1 在 Ser656 位点的去磷酸化，推动线粒体分裂；磷酸甘油酸变位酶 5（PGAM5）可使 DRP1 的 Ser-637 位点去磷酸化，促进 DRP1 向线粒体转位，实现线粒体分裂，在程序性坏死中发挥重要作用；在 RGCs 细胞中，A 激酶锚定蛋白 1（AKAP1）使 DRP1 的 Ser637 位点去磷酸化，促进线粒体分裂，参与青光眼病理生理过程。除经典的激酶或磷酸酶对 DRP1 的磷酸化调节外，DRP1 的磷酸化状态还与其他修饰相关。这些修饰可能改变 DRP1 构象，影响其磷酸化状态。例如，PDI 诱导的 DRP1 S - 亚硝基化可促进 Ser616 位点磷酸化，导致线粒体分裂。在不同条件下，多种因素通过磷酸化、去磷酸化或改变 DRP1 构象影响其多个位点氨基酸残基的磷酸化状态，从而调节线粒体功能，甚至决定细胞命运。这些位点分布在 DRP1 的不同结构域，其中位于 GED 区域的 Ser616 和 Ser637 位点研究较多，但这些位点磷酸化后的共性尚未完全阐明。SUMO 化修饰方面，小泛素样修饰蛋白（SUMO）是一种在翻译后修饰中与底物赖氨酸残基结合的保守分子，哺乳动物细胞中有 SUMO1 - 5 五种亚型，SUMO2 和 SUMO3 同源性达 96%。目前研究表明，SUMO 化修饰可促进 DRP1 在 mitochondrial 表面的稳定性，有助于线粒体分裂。SUMO 连接酶 MAPL 使 DRP1 在 VD 区域的 K532、K535、K558、K568、K594、K597、K606 和 K608 位点 SUMO 化，促进其锚定在线粒体上并推动线粒体分裂；而 Sentrin/SUMO 特异性蛋白酶 5（SENP5）通过去 SUMO 化抑制线粒体分裂。不过，SENP3 可通过去 SUMO 化促进 DRP1 与 Mff 结合，诱导线粒体分裂、细胞色素 c 释放和细胞凋亡。不同的 SUMO 修饰对同一底物会产生不同的病理生理效应，抑制 SENP3 增强 DRP1 与 SUMO2/3 的共价结合，阻止细胞色素 c 释放，保护细胞免受缺血诱导的死亡；过表达 SUMO1 可促进线粒体分裂，稳定 DRP1 在线粒体上的结合，SENP5 则可通过去 SUMO 化逆转 SUMO1 诱导的线粒体分裂。此外，泛素化也会影响 DRP1 活性。Parkin 通过泛素化促进 DRP1 降解，后期促进复合物 / 周期体（APC/C）及其共激活剂 Cdh1 在有丝分裂期间通过泛素化降解 DRP1，调节线粒体分裂；相反，OTUD6A 去除泛素残基，增加细胞中 DRP1 的稳定性。

线粒体分裂与细胞凋亡的关系

线粒体分裂在时间和空间上与细胞凋亡密切相关。在生理状态下，约 3% 的 DRP1 激活即可维持线粒体系统融合与分裂的平衡，但 DRP1 过度激活并在线粒体聚集会影响线粒体功能，甚至引发细胞凋亡。现有研究表明，诱导线粒体分裂可促进细胞凋亡，而线粒体融合可能是癌细胞逃避化疗诱导凋亡的一种方式。抑制 DRP1 活性和线粒体分裂，无论是通过化学方法还是基因敲除，都具有抗凋亡作用。在肺腺癌研究中，化疗时诱导线粒体融合可提高癌细胞的化疗耐药能力，通过抑制剂或基因干预抑制 DRP1 活性可发挥抗凋亡作用。在 PINK1 双敲除和 MPTP 药物诱导的 PD 模型中，抑制 DRP1 活性可显著减少黑质神经元丢失，促进神经元存活。目前认为，线粒体碎片化的细胞对凋亡相关刺激更敏感，这可能是因为分裂后的线粒体能量合成效率低下。抑制线粒体分裂、促进线粒体融合可增强线粒体电子传递链效率，提高氧化磷酸化能力，增强细胞应激抵抗能力。此外，线粒体分裂可诱导线粒体膜通透性转换孔（mPTP）开放和基因组不稳定，这也可能是其促进凋亡的重要因素。研究发现，DRP1 可促进线粒体细胞色素 c 释放和 Caspases 激活，与 Bcl2 家族相互作用，促进促凋亡分子 BAX 向线粒体转位，或直接抑制抗凋亡蛋白 Bcl2 的活性，从而执行细胞凋亡过程。有研究提出，DRP1 可与 BAX 的 N 端结构域<