线粒体是细胞内参与能量代谢最重要的细胞器，在细胞信号转导、自由基产生及细胞凋亡诱导等方面发挥关键作用，决定细胞的生存和死亡。一方面线粒体调节细胞内钙、铁离子及电解质的稳态，并通过氧化磷酸化为细胞提供能量，促进细胞存活；另一方面，线粒体是细胞凋亡的调控中心，在凋亡信号的刺激下可释放凋亡因子，触发Caspase凋亡途径，诱导细胞程序性死亡[1]。线粒体功能异常将产生大量自由基，导致细胞坏死或凋亡，特别是心肌细胞、神经细胞等终末分化的细胞，再生能力弱，并且能量需求较高，线粒体密度大，线粒体受损将会导致病理性改变[2, 3]。近年来，越来越多的疾病被证明与线粒体功能紊乱有关，如心肌病、神经退行性疾病、癌症及与人类衰老相关的疾病等。因此，线粒体质量的控制对于维持细胞生存及生存状态至关重要。
线粒体质量控制是细胞中防御线粒体损伤的重要机制，其功能主要体现在调控线粒体数量和质量相对稳定。线粒体自噬与细胞凋亡的互调节作用可实现对线粒体数量与质量的双重调控，而线粒体分裂与融合是线粒体质量动态控制的关键环节，二者共同构成线粒体质量控制的核心[4, 5, 6, 7, 8]。Bcl-2家族是一类高度保守的蛋白，与线粒体功能的调节密切相关[9]。目前研究表明，Bcl-2家族蛋白参与线粒体自噬/细胞凋亡互调节及线粒体分裂、融合的调控，是线粒体质量控制的关键因子[10, 11]。本文将重点综述Bcl-2家族对线粒体质量控制的影响，及其主要调控机制。
1 线粒体自噬/细胞凋亡互调节对线粒体质量的影响自噬是一种进化上高度保守的细胞自我降解机制，而线粒体自噬是以线粒体为靶标的自噬方式，选择性降解细胞内受损或衰老的线粒体，通过降解成分的再利用，合成新的线粒体，实现线粒体的更新，以维持线粒体数量与质量的相对平衡状态，是调控线粒体质量的重要生理机制[4, 12]。在缺血、缺氧等应激时，线粒体自噬活性大大增强，以保证应激状态下细胞的基本能量需求，促进细胞存活[13]。然而，过度的线粒体自噬将导致线粒体数量大幅度减少，难以满足细胞能量代谢需求，加速细胞死亡[14,15]。
与线粒体自噬不同，细胞凋亡对细胞命运的影响是单向性的，通过程序性死亡调控机制去除衰老及严重受损的细胞。线粒体自噬与细胞凋亡在生化代谢途径及形态学方面均有明显差异，在功能上却相互拮抗、相互协调、相互促进，参与线粒体质量的调控，共同决定细胞命运[5, 16, 17]。大量研究表明，线粒体自噬与细胞凋亡多以相互拮抗的方式实现互调节作用[5]。在缺血、缺氧等“饥饿”应激时，抗凋亡蛋白Bcl-2的磷酸化可以破坏其与Beclin1的结合，激活线粒体自噬；同时通过保持线粒体膜完整性，阻止促凋亡蛋白释放，进而抑制细胞凋亡的发生[18]。当细胞处于持续、严重的应激状态下，细胞凋亡可通过活化的Caspase酶切自噬关键蛋白Beclin1抑制线粒体自噬的发生[19,20]，避免线粒体自噬过度而引起的线粒体功能障碍，减少对其他细胞及组织的伤害[15]。另有研究表明，线粒体自噬与细胞凋亡在功能上是相互协调、相互促进的。心肌缺血/再灌注损伤时，心肌细胞中线粒体自噬与细胞凋亡同时上调[17]。过度诱导线粒体自噬可引起溶酶体或自噬溶酶体中组织蛋白酶及其他水解蛋白酶的泄漏，促进细胞凋亡的发生[15]。
经过线粒体自噬/细胞凋亡的互调节作用，大部分健康线粒体得以保存，在保证线粒体数量的基础上，存活下来的线粒体功能更好，更新速率加快，线粒体的质量也得到提高[21]。那么，对线粒体自噬与细胞凋亡互调节的调控将影响线粒体质量，决定应激时细胞的命运及存活状态。
2 Bcl-2家族蛋白参与线粒体自噬/细胞凋亡互调节的主要机制Bcl-2家族是调控线粒体外膜完整性和细胞凋亡的关键蛋白[22]。近年来，随着研究的不断深入，发现Bcl-2家族蛋白能够以Parkin非依赖和Parkin依赖的方式介导线粒体自噬的发生[10, 23]。本节将主要综述Bcl-2家族蛋白参与线粒体自噬/细胞凋亡互调节调控的主要机制。
2.1 Bcl-2家族蛋白Bnip3、Nix介导线粒体自噬/细胞凋亡互调节BH3-only结构域蛋白Bnip3、Nix是仅有的两个受低氧诱导因子(hypoxia inducible factor-1,HIF-1)调控的Bcl-2家族促凋亡蛋白，在缺氧条件下可介导细胞凋亡的发生。同时，Bnip3、Nix是线粒体自噬Parkin非依赖性信号相关通路的重要节点。
Bnip3、Nix在正常生理条件下表达水平较低，但在缺血、缺氧等应激条件下，其表达会急剧升高。在短暂低氧应激时，细胞内Bnip3、Nix表达上调，诱导线粒体自噬发生，使细胞能量代谢随细胞含氧量的变化进行适应性改变，促进细胞存活。Bnip3、Nix对线粒体自噬的调控是多途径的。其一，Bnip3、Nix可直接与分隔膜上的微管相关蛋白1轻链3(microtubule-associated protein 1 light chain 3,LC3)或γ-氨基丁酸受体相关蛋白(gamma-aminobutyric acid receptor-associated protein,GABARAP)结合，形成自噬体，进而启动线粒体自噬[23]。其二，受HIF-1激活的Bnip3、Nix可与Bcl-2结合，将Beclin1从Beclin1/Bcl-2复合物中释放出来，触发分隔膜的形成，并在线粒体外膜蛋白Fundc1协助下，将目标线粒体吞噬[24]。此外，Bnip3可与E3泛素连接酶Parkin结合，募集Drp1与Parkin至线粒体，促进线粒体分裂，进而触发线粒体自噬[25]。
若细胞处于持续或严重缺氧等应激状态时，Bnip3、Nix可通过多种机制触发细胞凋亡：其一，Bnip3、Nix能够与Bcl-2家族抗凋亡蛋白形成异源二聚体，变构激活Bax/Bak，促进其在线粒体外膜形成异四聚体通道(heterotetrameric channels)，释放细胞色素C，并激活Caspase依赖的细胞凋亡通路[26, 27]；其二，通过其羧基末端的跨膜结构域(tranmembrane domain,TM)形成同源二聚体，与线粒体外膜紧密结合并打开线粒体通透性转换孔(mitochondrial permeability transition pore,mPTP)，降低线粒体膜电位，产生活性氧，介导非Caspase依赖的凋亡发生。另有研究指出，Bnip3是FoxO抑制mTORC1的下游调控靶点，长期的能量应激可激活p38-FoxO-Bnip3信号通路而促进细胞凋亡[28]。
由此可见，缺氧应激时细胞中高表达的Bnip3、Nix可通过不同的途径调控线粒体自噬与细胞凋亡，决定细胞命运。更为重要的是，Bnip3触发的细胞凋亡的机制之一是使线粒体去极化，而其诱导的线粒体自噬也可使线粒体去极化。目前已有研究表明[29]，Bnip3、Nix诱导过度的线粒体自噬可促进细胞凋亡。我们也可以这样认为：Bnip3、Nix可以调控缺氧应激时线粒体自噬/细胞凋亡的互调节作用，维持线粒体质量。在低氧应激时，通过适度诱导线粒体自噬促进细胞存活；当环境进一步恶化时，则诱导过度的线粒体自噬，触发细胞凋亡。
2.2 Bcl-2家族蛋白通过PINK1-Parkin通路介导线粒体自噬/细胞凋亡互调节PINK1(PTEN-induced putative protein kinase 1)和Parkin在启动线粒体自噬，特异性清除受损线粒体的过程中发挥关键作用。在健康的线粒体上，PINK1通过TIM/TOM复合物以电势依赖的方式输入线粒体内膜，之后被蛋白水解酶迅速降解，表达受限[30]；而当线粒体受损时，线粒体膜电位降低，阻止PINK1输入至线粒体内膜，在线粒体外膜累积，并募集胞质中的Parkin[31]。Parkin迁移至线粒体后，泛素化修饰受损线粒体上电压依赖型阴离子通道1(voltage-dependent anion channels 1,VDAC1)等蛋白，引导自噬受体p62/SQSTM1。p62/SQSTM1发挥适配器作用，将线粒体与分隔膜连接起来，引导分隔膜特异性识别并包裹线粒体，进而启动线粒体自噬[32]。
值得注意的是，Bcl-2家族可通过PINK1-Parkin通路参与线粒体自噬/细胞凋亡互调节的调控，影响线粒体质量。Hollivill等[10]采用免疫荧光染色技术与免疫沉淀技术，发现Bcl-2家族抗凋亡蛋白Bcl-xL、Mcl-1可特异性地与Parkin结合，阻碍Parkin迁移至损伤线粒体，从而抑制PINK1/Parkin复合物的形成，提高线粒体自噬性清除“阈值”，保护健康线粒体，有效预防过度的线粒体自噬对细胞造成的损伤。而在持续、严重应激时，线粒体膜电位大幅度降低，线粒体质量严重受损，超出线粒体自噬的防御应激能力，Mcl-1可通过PINK1/Parkin泛素化并降解，进而激活Bax/Bak通路，触发细胞凋亡，抑制线粒体自噬[33]。因此，PINK1-Parkin通路或许是线粒体自噬与细胞凋亡互调节作用的交汇点。更为重要的是，Bcl-2家族蛋白可通过PINK1-Parkin通路介导线粒体自噬/细胞凋亡互调节，其具体机制有待于进一步研究。
3 Bcl-2家族蛋白与线粒体质量的动态控制线粒体在细胞内彼此连接，不断分裂、融合，形成一个动态的管网状结构，具有高度的可塑性。单个线粒体及线粒体网络的形态取决于线粒体分裂与融合的动态平衡，以满足细胞分化、繁殖、生长及环境变化时不同的生理需求[34]。线粒体分裂可产生两个膜电位不均匀的子线粒体，正常膜电位的线粒体可与线粒体网络融合，促进线粒体间物质交换，减轻外界环境变化对线粒体的损伤，维持线粒体完整性[8]；而膜电位较低的线粒体则通过线粒体自噬清除，这样线粒体就进行选择性自噬。因此，线粒体分裂与融合是线粒体自噬前的关键环节，可实现线粒体质量的动态控制[4]。当线粒体由分裂与融合的动态平衡转向提高分裂而降低融合时，可促进新线粒体的产生，并将衰老、受损等具有融合缺陷的线粒体隔离、特异性清除。通过线粒体分裂、融合与线粒体自噬的相互协调，在最大程度保留健康线粒体的同时，去除功能障碍的线粒体，最终完成线粒体数量与质量的双重调控。
线粒体分裂、融合与高度保守的GTP蛋白家族有关。线粒体分裂只涉及线粒体外膜的分裂，其相关蛋白主要有分裂蛋白1(fission 1,Fis1)，线粒体分裂因子(mitochondrial fission factor,Mff)和动力相关蛋白1(dynammin-related protein 1,Drp1)等。在哺乳动物细胞内，经线粒体外膜蛋白Fis1、Mff招募，胞质中的Drp1富集于线粒体外膜潜在分裂点，并形成环状结构，启动线粒体的分裂[35]。而线粒体融合分别经过线粒体外膜的融合与线粒体内膜的融合两部分。线粒体融合蛋白1(mitofusin 1,Mfn1)与线粒体融合蛋白2(mitofusin 2,Mfn2)是线粒体外膜融合的关键分子，在果蝇和酵母中的同源蛋白只有一个，即Fzo(Fuzzy onions)。Mfn1/Mfn2通过其α螺旋区在线粒体外膜形成同源或异源二聚体，将两个要融合的线粒体锚定在一起，进而融合[36]。而线粒体内膜的融合主要由位于线粒体膜间隙的视神经萎缩蛋白1(optic atrophy protein 1,OPA1)介导，其酵母同源物为Mgmlp。OPA1的主要功能是维持线粒体嵴结构的稳定性，对于融合线粒体内膜的重构起重要作用[35]。
研究发现，Bcl-2家族蛋白参与线粒体分裂、融合的调控。最初，Bcl-2家族蛋白对线粒体动态变化的调节主要集中于细胞凋亡发生的过程中。Lu等[37]发现秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans，C. elegans)凋亡细胞内，Bcl-2家族抗凋亡蛋白CED-9可与BH3-only结构域蛋白EGL-1形成复合物，募集Drp1至线粒体上，促进线粒体分裂。Wasiak等[38]采用不同细胞系进行实验，发现在凋亡早期，Bax/Bak激活可促进Drp1定位于线粒体外膜，加强线粒体分裂活性。Bak也可与线粒体融合蛋白相互作用。当细胞受到凋亡信号刺激时，Bak表达上调，与Mfn1作用加强，促进线粒体片段化，改变线粒体外膜通透性，进而触发细胞凋亡；但其BH3结构域突变时，同一条件下的线粒体片段化程度降低，细胞凋亡受到抑制[39]。
越来越多的研究表明，Bcl-2家族蛋白可参与健康细胞内线粒体动态变化的调控。Bcl-2家族抗凋亡蛋白Bcl-xL、Mcl-1能够抑制Bax/Bak诱导的细胞色素C的释放，却不能阻止同一细胞内Bax/Bak依赖的线粒体片段化，表明Bax/Bak介导的线粒体片段化并不依赖于细胞凋亡的发生[40]。实际上，Bax/Bak在维持正常细胞内的线粒体形态上发挥重要作用。将Bax/Bak双敲除小鼠胚胎成纤维细胞(Bax/Bak DKO MEFs)、乳鼠肾脏细胞(Bax/Bak DKO BMKs)与同品系野生小鼠对应细胞系比较，发现Bax/Bak双敲除细胞中的线粒体较短，且线粒体片段增加，在形态上存在结构性缺陷[11]。另有研究表明，神经元内Bcl-xL的表达既可诱导Drp1依赖的线粒体分裂发生，又可上调线粒体融合，从而提升线粒体分裂、融合速率，并通过线粒体自噬，加速线粒体更新，调控正常细胞内线粒体的质量[41]。综上，Bcl-2家族可以通过介导线粒体分裂、融合，实现线粒体质量的动态控制。
4 展望线粒体自噬/细胞凋亡互调节以及线粒体分裂、融合的动态调控是细胞在应激状态下有效对抗线粒体损伤，实现线粒体质量控制的重要机制。Bcl-2家族作为线粒体质量控制的关键调节因子，参与线粒体形态、数量和质量的多维调控，决定多种应激条件下细胞的最终走向。
除前文述及的PINK1-Parkin和Bnip3相关通路外，Bcl-2家族亦可与钙离子信号相互作用调节亚细胞结构中的钙库[9]，参与调控线粒体自噬/细胞凋亡的互调节。此外，Bcl-2家族在细胞内主要定位于线粒体、内质网及核周膜，在不同因素作用下分子构象可发生改变，而影响其亚细胞定位[42]，这在Bcl-2家族调控线粒体功能的过程中发挥重要作用。综上所述，细胞中存在一个以Bcl-2家族蛋白为中心，基于提升线粒体质量的多层次、多环节的网络调控机制，而细胞应激时Bcl-2家族调节线粒体自噬与细胞凋亡之间平衡的分子机制则有待进一步深入研究。
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