線粒體內(nèi)膜蛋白OMA1
日期：2019-09-24 14:21:22
線粒體是細胞的主要供能細胞器，有“能量工廠”之稱，也參與磷脂合成和氨基酸代謝等生化反應(yīng)，同時還參與鈣離子的儲存和調(diào)節(jié)、細胞增殖、細胞分化及細胞死亡等活動。線粒體通過分裂、融合的動態(tài)平衡構(gòu)成線粒體網(wǎng)絡(luò)（如圖1所示），也就是常說的線粒體動力學(xué)，是線粒體質(zhì)量調(diào)控的重要方式[1]，也一直是線粒體相關(guān)研究的熱點與難點。
Figure 1. The function of mitochondrial network
OMA1，是一種由OMA1基因表達，不依賴于ATP的鋅離子金屬蛋白酶，也是一種氧化還原依賴性蛋白，有多次跨膜結(jié)構(gòu)域和鋅指結(jié)合基序，位于線粒體內(nèi)膜。目前說法比較一致的是，OMA1可以通過調(diào)控內(nèi)膜蛋白OPA1蛋白（OPA1屬于核基因，編碼的蛋白是線粒體內(nèi)源發(fā)動蛋白，是線粒體塑形蛋白家族的成員，蛋白位于線粒體內(nèi)膜，是調(diào)節(jié)線粒體內(nèi)膜融合的重要蛋白）的水解，起到控制細胞線粒體分裂和融合的動態(tài)平衡[2]。而進一步闡明線粒體蛋白酶OMA1的作用機理對于探明許多疾病的發(fā)病機制有著重要的意義。在本篇文章中，我們主要從結(jié)構(gòu)、功能、調(diào)節(jié)和相關(guān)疾病4個方面詳細介紹了線粒體蛋白酶OMA1。
1. OMA1結(jié)構(gòu)
金屬蛋白酶OMA1是由OMA1基因編碼的線粒體內(nèi)膜蛋白，該基因包含9外顯子，位于染色體1p32.2-p32.1上，如圖2所示：
Figure 2. The location of MOA1 gene
人蛋白金屬內(nèi)切酶OMA1由524個氨基酸組成，其中包含了位于1-13的氨基酸的信號肽，分子量大小為60.1 kDa，成熟OMA1蛋白理論上的pI為8.44[3]。該蛋白之所以被稱為OMA1，是因為它與m-AAA蛋白酶具有重疊活性[4]。OMA1的人類直系同源基因是MPRP-1，起初認(rèn)為是在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，從2003年才開始受關(guān)注。在證實OMA1線粒體定位的兩項研究中同時也描述了哺乳動物的同源物N端有長度為170個氨基酸的延伸氨基末端，這可能會對高等生物的拓撲結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[5]。目前必須在生物化學(xué)上建立這種多跨膜蛋白的拓撲結(jié)構(gòu)，并定位催化位點以更好地理解其調(diào)節(jié)。
2. OMA1功能
線粒體內(nèi)膜上有兩種AAA蛋白酶，分別是i-AAA和m-AAA蛋白酶。i-AAA蛋白酶的催化結(jié)構(gòu)域面向膜間隙，而m-AAA的活性中心在線粒體基質(zhì)側(cè)。前文已提到，OMA1與m-AAA蛋白酶具有重疊的蛋白水解活性。但是，OMA1與m-AAA蛋白酶一樣，并不完全調(diào)節(jié)模型底物Oxa1的轉(zhuǎn)換。相反，OMA1僅產(chǎn)生N-和C-末端蛋白水解片段。大量研究證實，當(dāng)線粒體失去膜電位或ATP時，OMA1可降解哺乳動物線粒體內(nèi)膜融合蛋白OPA1。這種誘導(dǎo)型蛋白水解作用是蛋白水解失活OPA1的主要調(diào)節(jié)機制[6][7]。
另外，有研究表明，在OMA1缺失的條件下，OPA1在S1位點的剪切出現(xiàn)障礙，但線粒體的形態(tài)沒有受到很大的影響，但在壓力刺激下，線粒體出現(xiàn)片段化，需要OMA1剪切OPA1（注意，這里的S1位點是OPA1 mRNA的剪切位點，會在后面的OMA1/OPA1調(diào)控機制中詳細介紹）。OMA1缺陷鼠可以存活，但會患飲食導(dǎo)致的肥胖癥，并且機體的生熱作用異常，這預(yù)示著在維持代謝平衡時，OMA1對OPA1的剪切起著重要作用[8]。
3. OPA1-OMA1調(diào)控機制
哺乳動物的OPA1在許多細胞活動中起著作用，如構(gòu)筑線粒體嵴、凋亡抑制、維持mtDNA完整性和氧化磷酸化等，這些活動又與線粒體動力學(xué)相互影響。OPA1的生物合成，受到轉(zhuǎn)錄和翻譯2個水平的調(diào)控。在哺乳動物中OPA1有許多的剪接體。OPA1 pre-mRNA在外顯子4、4b和5b處選擇性剪接，可產(chǎn)生有組織特異性的8種mRNA來編碼OPA1，而且這些不同形式的OPA1剪接體有不同的功能。這些mRNA編碼的多肽，除了含有線粒體基質(zhì)蛋白酶MPP剪切位點外(切除線粒體引導(dǎo)序列)，都含有S1剪切位點，有些多肽的C端含有S2剪切位點。S1、S2位點的剪切發(fā)生在外顯子5或5b所編碼的肽段序列，使得OPA1失去跨膜結(jié)構(gòu)域。從理論上推測，任何一條mRNA經(jīng)翻譯后，都可以產(chǎn)生一條長OPA1(L-OPA1，只在MPP位點剪切)和一條或更多條短OPA1 (S-OPA1，在Sl或S2位點剪切) [9]。
相關(guān)研究表明，線粒體內(nèi)膜蛋白酶OMA1及i-AAA蛋白酶YMElL分別在S1和S2位點剪切OPA1。L-OPA1可以被不同的誘導(dǎo)性蛋白酶剪切。L-OPA1定位在線粒體內(nèi)膜上，S-OPA1定位在線粒體膜間隙。在應(yīng)激條件下，如線粒體膜電勢降低、ATP缺陷、凋亡等均可誘導(dǎo)L—OPA l的剪切。這種剪切是快速并徹底的，使OPAl完全失活。
如圖3A所示，在正常生理條件下，m-AAA蛋白酶AFG3L2與 pre-pro-OMA1相互作用并切割生成pro-OMA1。產(chǎn)生的pro-OMA1數(shù)量可進一步受i-AAA蛋白酶YME1L1活性調(diào)節(jié)，避免其積累，此外，OMA1和YME1L1可進一步對OPA1（分別在S1和S2位點）進行剪切以確保了L-OPA1與S-OPA1兩種形式之間的平衡。OMA1跨膜結(jié)構(gòu)域的黃色矩形表示停止m-AAA修剪的亮氨酸延伸。
相比之下，圖3B表示的是沒有AFG3L2（m-AAA）的情況，此時pre-pro-OMA1到 pro OMA1的轉(zhuǎn)化效率最小，會引起廣泛的細胞器損傷，包括呼吸復(fù)合物的組裝缺陷、ROS產(chǎn)生、ATP消耗和內(nèi)膜前抑制應(yīng)激[10]，這些應(yīng)激反應(yīng)會激活其他蛋白酶調(diào)控的緊急通路來活化OMA1和線粒體斷裂的下游作用。圖3C表示的是YME1L1缺失的情況，這種情況和由此產(chǎn)生的pro-OMA1積累，導(dǎo)致的效果是一樣的。這會增強其自催化活性，并且再次誘導(dǎo)線粒體斷裂?？紤]到OMA1在線粒體融合-裂變穩(wěn)態(tài)中的關(guān)鍵作用，可以想象需要多種替代效應(yīng)物，包括AFG3L2、YME1L1和OMA1本身，以及Δφ，以維持這種關(guān)鍵應(yīng)激傳感蛋白的有效微調(diào)[11]。
Figure 3. The possible mechanism of OMA1/OPA1
4. OMA1與疾病
前面已經(jīng)提到OMA1目前比較公認(rèn)的作用是水解OPA1蛋白。而OPA1是線粒體內(nèi)源發(fā)動蛋白，在許多細胞活動中起著作用，如線粒體嵴的構(gòu)筑、凋亡抑制、mtDNA完整性的維持、氧化磷酸化的維持等。人體在應(yīng)激反應(yīng)后，蛋白酶OMA1活化會過度水解OPA1，然后促進線粒體斷裂，如果持續(xù)，則會引發(fā)體內(nèi)細胞死亡和組織變性，繼而引發(fā)一系列疾病，如常染色體視神經(jīng)萎縮(DOA)、巴特綜合征、神經(jīng)退行性疾病和癌癥等[12][13]。這里，我們著重介紹神經(jīng)退行性疾病與癌癥。
4.1 OMA1與神經(jīng)退行性疾病
Anne Korwitz[14]等人利用抑制素膜支架缺失建立神經(jīng)退行性疾病模型小鼠。在該小鼠模型中，作者證實了應(yīng)激反應(yīng)下OMA1對OPA1的水解能夠促進神經(jīng)元死亡和神經(jīng)炎癥反應(yīng)，而且 OMA1的缺失可以延遲神經(jīng)元丟失并延長模型組小鼠的壽命。同時這也伴隨著L-OPA1的累積，這種形式的OPA1可以穩(wěn)定線粒體基因組，但是不能在抑制素耗盡的神經(jīng)元中維持線粒體嵴的形態(tài)及呼吸鏈復(fù)合物組裝狀態(tài)。所以L-OPA1可以獨立于嵴形狀促進神經(jīng)元存活。這個結(jié)論在抑制素膜支架缺失的情況下也得到了證實。
4.2 OMA1與癌癥
癌癥細胞中存在“瓦伯格效應(yīng)”(the Warburg effect)。因為腫瘤和正常成體組織存在著代謝差異,它們主要通過糖酵解產(chǎn)能，同時大量生成乳酸，這種代謝性質(zhì)使得腫瘤細胞的耗糖速度遠大于正常細胞[15]。這種腫瘤細胞對糖酵解通路產(chǎn)能依賴增強的現(xiàn)象被稱為瓦伯格效應(yīng)，該效應(yīng)會極快地促進細胞增生和腫瘤生長。以瓦伯格效應(yīng)進行代謝為主的癌癥細胞，線粒體的嵴會減少[16]，而OPA1也會減少，但OMA1會增多。此外，Marcel V. Alavi在BAX和BAK1依賴性細胞死亡的背景下將蛋白質(zhì)OMA1和OPA1與抑制素和p53連接，建立線粒體外膜透化和細胞色素c釋放的模型。該模型的核心是線粒體內(nèi)膜蛋白酶OMA1，實驗也證實OMA1在腫瘤環(huán)境中被激活，這也是新型個性化癌癥療法的藥物靶點代表之一。
References
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