线粒体融合蛋白2对神经功能影响的研究进展

程晓彤 李玉兰

西安市人民医院麻醉与围术期医学中心，西安 710004

国际麻醉学与复苏杂志,2022,43(1):95-98.

DOI：10.3760/cma.j.cn321761-20200716‑00467

 基金项目 

甘肃省自然科学基金（21JR1RA062）

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【综述】

线粒体融合蛋白（mitochondrial fusion protein， Mfn）2是一种具有鸟苷三磷酸酶活性的跨膜蛋白。在哺乳动物细胞中，Mfn2定位于线粒体外膜和内质网表面，可将线粒体锚定到内质网，参与线粒体与内质网的桥接，促进线粒体的钙吸收 。Mfn2通过影响线粒体融合/分裂动力学参与体内多种生理和病理过程，如细胞增殖、Ca2+稳态调控、细胞凋亡、氧化应激等 。

神经细胞线粒体融合/裂变动力学与神经元发育、可塑性和功能缺陷有关。研究表明，线粒体融合/分裂的动态平衡可保证神经末梢长距离运输和能量平均分布，而线粒体融合分裂异常可使线粒体在神经元中运输受阻、分布紊乱、能效降低导致活性氧产生增加，从而引起细胞信号通路紊乱，突触功能退化和神经细胞死亡，提示线粒体分裂/融合失衡可能参与了部分神经系统疾病的形成 。

本文简述Mfn2对神经细胞线粒体融合/分裂动力学及其与神经系统功能损伤的关系，探讨Mfn2在围手术期神经功能损伤中的作用。

1 Mfn2      

Mfn2是一种多结构域蛋白，含有757个氨基酸，其中包含疏水性跨膜区、p21ras共有模序、鸟苷三磷酸结合区域和蛋白激酶A/蛋白激酶G磷酸化位点。Mfn2基因位于1号染色体短臂lp36.22位置上，编码一种线粒体膜蛋白，参与线粒体的聚集和融合，并有助于线粒体网络的维持和运行 。Mfn2与其同系物Mfn1共同介导线粒体外膜融合，视神经萎缩蛋白1介导线粒体内膜融合，而线粒体的分裂则由动力相关蛋白1（dynamin‑related protein， Drp1）介导 。线粒体分裂与融合之间的微妙平衡对于维持健康的线粒体种群以及适当的线粒体分布、形态和功能至关重要，线粒体的分裂会导致人类疾病，特别是神经系统疾病，如阿尔茨海默病（Aizheimer's disease, AD） 。

2 Mfn2与神经退行性病变      

研究发现，Mfn2突变可导致遗传性周围神经病变，即腓骨肌萎缩症（charcot‑marie‑tooth， CMT）2A型，但并未对其细胞基础进行探索 。Chen等 在小鼠小脑中敲除Mfn2基因，建立由线粒体融合丧失引起的神经变性模型，发现Mfn2突变可导致线粒体功能障碍和神经退行性变，缺乏Mfn2的小鼠小脑浦肯野细胞线粒体形态、分布、嵴组织及电子传递链功能均出现明显缺陷。此外，在胎盘和胚胎发育中，Mfn2基因缺失可导致胎盘滋养细胞巨细胞缺陷，使小鼠无法在妊娠中期存活。他们首次提出：无论是在发育期还是成熟后，浦肯野细胞均需要Mfn2参与树突生长、树突棘形成和细胞存活。这一发现为理解Mfn2突变介导的多种神经退行性疾病的发病机制提供了线索。随着对Mfn2的进一步研究，研究者们发现Mfn2基因突变通过改变线粒体融合和沿轴突微管系统的运输而导致CMT2A 。重新激活Mfn2是否可以纠正对线粒体的损伤并恢复与肌肉的神经连接是目前正在研究的热点问题，近来研究人员从患有CMT2A的人及该疾病的小鼠模型中提取的神经细胞上测试了一种新型的称为线粒体活化素的药物，发现该药物还可以刺激神经再生，从而逆转肌肉损失和无力，未来是否能够应用于临床仍需进一步研究 。

AD小鼠模型中发现了异常的线粒体分布和线粒体的肿胀和损坏，并伴随着线粒体片段化的增强 。研究证明，AD患者大脑中参与线粒体融合的几种蛋白（Mfn1、Mfn2、视神经萎缩蛋白1）的表达均显著降低，暗示线粒体片段化在很大程度上由于线粒体融合受到破坏 。Jiang等 使用Ca2+‑钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ启动子敲除小鼠海马和皮质神经元Mfn2，建立Mfn2敲除小鼠模型。发现Mfn2敲除后，神经元线粒体过度分裂，引发线粒体超微结构及形态损伤、功能障碍、氧化应激和细胞骨架变形等一系列病理反应，最终导致小鼠海马和皮质神经元变性。最近的一项研究使用加速衰老氧化应激大鼠（模拟散发型AD的主要特征）探索海马CA1区锥体神经元的线粒体超微结构，并测量线粒体动力学（Mfn1、Mfn2、Drp1）中涉及的关键蛋白质水平 ，结果发现大鼠从4个月到24个月时，线粒体从融合逐渐向分裂转变，而Drp1含量的增加和Mfn2/Drp1比率的降低证实了这一点。而这种不平衡似乎是几种神经退化模型的共同特征。 

3 Mfn2缺乏诱导神经毒性反应的发生      

兴奋性毒性是指神经细胞受到兴奋性递质的过度刺激时，兴奋性递质受体过度激活，致神经元损伤或死亡的病理过程 。Martorell‑Riera等 提出，在Mfn2表达减少的神经元中通常存在功能紊乱的线粒体，同时伴有Ca2+稳态失调的现象。他们发现，Drp1介导的线粒体断裂参与兴奋性毒性损伤的早期阶段，并表现出可逆性恢复的特点；随着损伤时间的延长，Mfn2表达逐渐减少，进入不可逆的线粒体断裂延迟阶段，最终引发兴奋性毒性细胞死亡。

2015年Filadi等 提出，Mfn2通过调控细胞内Ca2+稳态产生神经元易损现象：当Mfn2表达下调时，内质网与线粒体膜结合增加，导致线粒体Ca2+依赖性细胞死亡的敏感性增高。Wang等 也发现，在运动神经元中Mfn2缺乏可易化运动神经元的谷氨酸毒性，而Mfn2的过表达几乎可完全逆转这一现象，即阻断谷氨酸诱导的线粒体断裂和神经元死亡。与Martorell‑Riera等 研究相似的是，他们还发现，导致线粒体功能障碍及过度裂变的原因并非Drp1的过度表达，而是Mfn2的表达减少。 

4 Mfn2与全身麻醉药致发育期神经毒性反应     

婴幼儿处于神经发育的初期阶段，容易受到麻醉药毒性的影响。人口统计学研究表明，儿童在早期（如4岁之前）暴露于麻醉和手术3次以上，会使学习障碍的发生风险增加 。提示短期重复使用麻醉药会对发育期大脑造成神经毒性损伤。

Yon等 提出，咪达唑仑联合氧化亚氮和异氟醚麻醉可通过内外两条凋亡途径诱导发育期小鼠神经元死亡，而线粒体可能是全身麻醉药诱导突触形成和神经元发育损伤的早期靶点。Sanchez等 对出生7 d大鼠行单次腹腔注射咪达唑仑（9 mg/kg）麻醉诱导，氧化亚氮（75%）、异氟醚（0.75%）麻醉维持6 h，发现全身麻醉可导致神经元线粒体形态受损，自噬活性增强，并出现神经纤维的长期破坏和抑制性神经突触传递的长期紊乱。提示全身麻醉可导致神经元损伤，而这一损伤可能与线粒体形态及功能稳态之间存在明显联系，但其具体机制尚不清楚。

Boscolo等 以镇静剂量咪达唑仑联合氧化亚氮及异氟醚吸入6 h对出生7 d幼鼠行全身麻醉，处死幼鼠后取大脑组织并分离神经元进行检测发现，全身麻醉可引起幼鼠体内活性氧稳态失衡，胞质Mfn2表达下调，Drp‑1从细胞质转移到线粒体并寡聚增强，最终导致线粒体过度分裂；推测线粒体裂变过多可能是全身麻醉药致发育期神经损伤的原因。Jiang等 同样提出，引起神经元变性的线粒体破裂主要是其融合受损或中断导致。作为主要的线粒体融合基因，Mfn2的代偿性上调是阻断线粒体碎片化的关键，提示Mfn2异常表达可能在全身麻醉药诱导的发育期神经细胞毒性反应中发挥作用 。 

5 Mfn2与围手术期神经认知紊乱      

围手术期神经认知障碍是老年患者围手术期常见问题之一，严重者影响日常工作和生活，增加术后病死率及致残率。有关围手术期神经认知障碍病理机制的研究证明，手术和麻醉可直接导致外周炎症反应或氧化应激的发生，或通过影响线粒体功能及谷氨酸代谢通路干扰突触形成，导致神经元变性，这可能是认知功能障碍发生的基础 。

Netto等 提出，氧化应激和线粒体功能障碍可能是老年大鼠术后认知功能障碍的重要原因。Li等 以异氟醚合用不同浓度利多卡因处理人神经胶质瘤细胞（H4）及实验大鼠发现，利多卡因可有效减轻H4细胞、海马神经细胞的线粒体结构损伤，提出利多卡因可通过改善线粒体损伤减轻异氟醚的认知损害。但在他们的实验中，线粒体损伤主要体现为膜电位的降低和呼吸链复合体活性的增加，而未提及线粒体融合/裂变动力学及相关蛋白的改变。

为了探究手术/麻醉对老年小鼠脑线粒体裂变/融合动力学影响，Lu等 在最近的一项研究中以1.4％异氟醚麻醉老年小鼠并进行2 h的开腹手术，发现麻醉手术组小鼠Drp1的表达较Mfn2显著增加，同时出现线粒体过度分裂，致使线粒体融合/裂变不平衡，表现为小鼠海马区及前额皮质的线粒体形态、功能紊乱，并出现谵妄行为。提示Mfn2可能在围手术期神经认知紊乱机制的研究中具有一定作用。 

6 结论与展望      

综上所述，现已证实多种神经功能性疾病都存在线粒体病变，且与线粒体融合蛋白Mfn2密切相关，目前关于全身麻醉致神经功能损伤的研究则大多局限于线粒体损伤层面，但不可否认，Mfn2作为线粒体融合/裂变动力学的关键蛋白之一，在维持线粒体形态及功能完整性方面具有重要地位。因此Mfn2的表达在全身麻醉药致线粒体形态及功能异常中的作用地位，以及如何利用它改善围手术期神经功能病变等问题，值得深入研究和探索。