ミトコンドリア融合

ミトコンドリアは、融合と分裂（核分裂）の能力を備えた動的な細胞小器官であり、ほとんどの真核細胞で絶えず変化する管状のネットワークを形成します。100年以上前に初めて観察されたこれらのミトコンドリアのダイナミクス^[1]は、細胞の健康にとって重要であり、ダイナミクスの欠陥は遺伝性疾患につながります。融合を通じて、ミトコンドリアは遺伝的機能不全の危険な結果を克服することができます。 ^[2]ミトコンドリア融合のプロセスには、このプロセスを形成する一連のイベント全体を通じて細胞を支援するさまざまなタンパク質が関与しています。

細胞が代謝ストレスや環境ストレスを受けると、ミトコンドリアの融合と分裂が起こり、機能的なミトコンドリアが維持されます。融合活動の増加はミトコンドリアの伸長につながり、分裂活動の増加はミトコンドリアの断片化につながります。^[3] このプロセスの要素はプログラム細胞死に影響を及ぼし、パーキンソン病などの神経変性疾患につながる可能性があります。このような細胞死は、融合または分裂のいずれかのプロセスの混乱によって引き起こされる可能性があります。^[4]

細胞内のミトコンドリアの形状は、分裂、融合、運動の組み合わせによって絶えず変化しています。具体的には、融合は、わずかに損傷したミトコンドリアの内容を補完の形で統合することで、ストレスの修正に役立ちます。遺伝的補完を可能にすることで、ミトコンドリアの融合により、同じ細胞小器官内の異なる欠陥を持つ2つのミトコンドリアゲノムが、他方に欠けているものを個別にエンコードできるようになります。そうすることで、これらのミトコンドリアゲノムは、機能的なミトコンドリアに必要なすべてのコンポーネントを生成します。^[2]

継続的な融合と分裂の複合効果により、ミトコンドリアネットワークが形成されます。ミトコンドリアの融合と分裂のメカニズムは、タンパク質分解と翻訳後修飾によって制御されます。分裂、融合、運動の作用により、ミトコンドリアの形状は継続的に変化します。

ミトコンドリアの分裂と融合の速度のバランスの変化は、さまざまな細胞タイプで観察されるミトコンドリアの長さの幅広い範囲に直接影響します。培養された線維芽細胞におけるミトコンドリアの急速な分裂と融合は、ミトコンドリアの緑色蛍光タンパク質(GFP) を 1 つのミトコンドリアから他のすべてのミトコンドリアに再分配することを促進することが示されています。このプロセスは、1 時間という短い時間内に細胞内で発生する可能性があります。^[4]

ミトコンドリアの分裂と融合の重要性は、ミトコンドリアの分裂なしには生存できない非増殖性ニューロンにとって明らかです。このような非増殖性ニューロンは、優位性視神経萎縮症とシャルコー・マリー・トゥース病2A 型として知られる 2 つのヒト疾患を引き起こしますが、どちらも融合欠陥が原因です。これらのプロセスの重要性は明らかですが、ミトコンドリアの分裂と融合が非増殖性細胞になぜ必要なのかは依然として不明です。

ミトコンドリア融合を制御する遺伝子産物は数多く特定されており、ミトコンドリア分裂も制御する3つのコアグループに絞り込むことができます。これらのタンパク質グループには、ミトフューシン、OPA1 /Mgm1、およびDrp1/ Dnm1が含まれます。これらの分子はすべて、ダイナミンファミリーに属するGTP加水分解タンパク質（GTPase ）です。さまざまな細胞におけるミトコンドリアのダイナミクスは、これらのタンパク質が互いに制御および結合する方法によって理解されています。^[2]ミトコンドリア融合を制御するこれらのGTPaseは、哺乳類、ハエ、酵母間でよく保存されています。ミトコンドリア融合メディエーターは、ミトコンドリアの外膜と内膜で異なります。特定の膜固定型ダイナミンファミリーメンバーは、Mfn1とMfn2として知られるミトコンドリア外膜間の融合を仲介します。これら 2 つのタンパク質は、ヒトの体内に含まれるミトフューシンであり、過剰発現すると影響を受けたミトコンドリアの形態を変えることができます。しかし、哺乳類では OPA1 として知られる単一のダイナミン ファミリー メンバーが、ミトコンドリア内膜間の融合を仲介します。これらのミトコンドリア融合の制御タンパク質は生物に依存しているため、ショウジョウバエ(ショウジョウバエ) と酵母では、このプロセスはミトコンドリア膜貫通 GTPase である Fzo によって制御されます。ショウジョウバエでは、Fzo は減数分裂後の精細胞に見られ、このタンパク質の機能不全は雄性不妊を引き起こします。しかし、出芽酵母で Fzo1 が欠失すると、ミトコンドリア DNA (mtDNA) が欠如するため、ミトコンドリアは小さく球状になります。

細胞内のミトコンドリアの融合と分裂のバランスは、ミトコンドリア融合タンパク質、OPA1/Mgm1、およびDrp1/Dnm1のアップレギュレーションとダウンレギュレーションによって決定されます。アポトーシス、つまりプログラム細胞死は、ミトコンドリアが細かく分解されることから始まります。このプロセスは、Drp1/Dnm1のアップレギュレーションとミトコンドリア融合タンパク質のダウンレギュレーションによって生じます。アポトーシスサイクルの後半では、ミトコンドリア内膜内でOPA1/Mgm1活性の変化が起こります。OPA1タンパク質の役割は、シトクロムcの放出を阻害することで細胞をアポトーシスから保護することです。このタンパク質が変化すると、クリステ構造の変化、シトクロムcの放出、および破壊的なカスパーゼ酵素の活性化が起こります。これらの結果として生じる変化は、ミトコンドリア内膜構造が、細胞の生死に影響を与える調節経路と関連していることを示しています。 OPA1 は、ミトコンドリアの融合とアポトーシス中のクリステのリモデリングにおいて、遺伝的および分子的役割を果たしている。^[5] OPA1 には 2 つの形態がある。1 つ目は可溶性で膜間腔に存在し、2 つ目は内膜に不可欠な形態であり、アポトーシス中およびアポトーシス後にクリステを再構築して形成するために連携して働く。OPA1 は、クリステのリモデリングを進めるミトコンドリア内シトクロム c の再分布を阻害する。OPA1 は、Mfn 欠損によるミトコンドリア機能不全の細胞を保護する機能があり、Mfn1 と Mfn2 の両方が欠損している細胞ではその効果が倍増するが、Mfn2 欠損よりも Mfn1 のみ欠損している細胞でより大きな役割を果たす。したがって、OPA1 の機能は、ミトコンドリアの伸長を促進するために細胞内に存在する Mfn1 の量に依存していることが裏付けられている。^[6]

Mfn1 と Mfn2 の両タンパク質は、ミトコンドリア融合中に一緒にまたは別々に作用することができます。Mfn1 と Mfn2 は互いに 81% 類似しており、ショウジョウバエのタンパク質 Fzo とは約 51% 類似しています。融合がミトコンドリア構造に与える影響を調べる研究で発表された結果によると、Mfn 欠損細胞は観察すると細長い細胞 (大多数) または小さな球状の細胞を示すことが明らかになりました。

Mfnタンパク質には、Mfn1ホモタイプオリゴマー、Mfn2ホモタイプオリゴマー、およびMfn1-Mfn2ヘテロタイプオリゴマーという3つの異なる作用方法があります。細胞の種類によって作用方法が決まると示唆されていますが、Mfn1とMfn2がその過程で同じ機能を果たすのか、それとも別々の機能を果たすのかはまだ結論が出ていません。このタンパク質を欠く細胞は、細胞成長不良、ミトコンドリア膜電位の不均一性、細胞呼吸の低下などの重篤な細胞欠陥を起こします。^[7]

ミトコンドリア融合は、Mfn1 および Mfn2 タンパク質によって示されるように、胚発生のプロセスで重要な役割を果たします。胎盤欠損により妊娠中期に子宮内で死亡する Mfn1 および Mfn2ノックアウトマウスを使用して、ミトコンドリア融合は、in vitro での細胞生存に必須ではないが、胚発生および発生の後の段階を通じての細胞生存に必要であることが示されました。発生のさらに早い段階で死亡する Mfn1 Mfn2 ダブル ノックアウト マウスは、「シングル」ノックアウト マウスとは区別されました。マウス胚線維芽細胞 (MEF) は、ダブル ノックアウト マウスに由来し、融合が完全に欠如しているにもかかわらず培養で生存しますが、ミトコンドリアの一部ではミトコンドリア DNA ( mtDNA ) のコピー数が減少し、膜電位を失います。この一連のイベントにより、アデノシン三リン酸(ATP) 合成に問題が生じます。

ミトコンドリア内外膜融合（MMF）ファミリー（TC# 9.B.25）は、ミトコンドリア融合イベントで役割を果たすタンパク質のファミリーです。このファミリーは、より大きなミトコンドリアキャリア（MC）スーパーファミリーに属します。ミトコンドリアの動的な性質は機能にとって重要です。ChenとChan（2010）は、ミトコンドリア融合の分子的基礎、神経変性における保護的役割、および細胞機能における重要性について議論しました。^[8]外膜に局在するGTPaseである哺乳類のミトフューシンMfn1とMfn2は、外膜融合を媒介します。内膜に関連するGTPaseであるOPA1は、その後の内膜融合を媒介します。Mfn2またはOPA1の変異は神経変性疾患を引き起こします。ミトコンドリア融合により、ミトコンドリア集団内の内容物の混合が可能になり、必須成分の永久的な損失が防止されます。ミトコンドリア融合が減少した細胞では、ミトコンドリアのサブ集団に mtDNA 核様体が欠如しています。このような mtDNA の欠陥により、呼吸不全のミトコンドリアが発生し、ニューロンに蓄積すると細胞プロセスの成長が阻害され、結果として神経変性が起こります。

MMF ファミリーに属するタンパク質の代表的なリストは、トランスポーター分類データベースで入手できます。

• 9.B.25.1.1 - ミトコンドリア内膜/外膜融合複合体、Fzo/Mgm1/Ugo1。Ugo1 タンパク質のみが MC スーパーファミリーのメンバーです。
• 9.B.25.2.1 - 哺乳類のミトコンドリア膜融合複合体、ミトフシン 1 (Mfn1)/Mfn2/光学萎縮タンパク質 1 (OPA1) 複合体。このサブファミリーには、ミトフシン 1 と 2 が含まれます。

哺乳類細胞におけるミトコンドリア融合にはMfn1とMfn2 (それぞれ TC# 9.B.25.2.1; Q8IWA4 と O95140) が必要であるが、Mfn1 と Mfn2 は機能的に異なる。例えば、試験管内でのテザー構造の形成は、Mfn2 よりも Mfn1 を過剰発現する細胞からミトコンドリアを分離した場合の方が起こりやすい。^[9]さらに、Mfn2 は特に Bax および Bak (Bcl-2 ファミリー、TC#1.A.21) と関連し、Mfn2 活性を変化させることが示されており、ミトフューシンが独自の機能特性を有することを示している。脂質の穴は中間体として反対側の二重層に開く可能性があり、心筋細胞における融合は、ミトコンドリア透過性遷移中に都合よく利用されるミトコンドリア外膜の不安定化と連動している。^[10]

Mfn2 の変異（Mfn1 の変異ではない）は、神経疾患であるシャルコー・マリー・トゥース症候群を引き起こす。これらの変異は、Mfn1-Mfn2 ^CMT2Aヘテロオリゴマーの形成によって補完されるが、Mfn2 ⁺ -Mfn2 ^{CMT2Aのホモオリゴマーの形成によって補完されることはない}_。^[11]これは、Mfn1-Mfn2 ヘテロオリゴマー複合体内では、各分子が機能的に異なることを示唆している。これは、各タンパク質の発現レベルの制御が、哺乳類組織におけるミトコンドリアの動態を変化させる最も基本的な制御形態である可能性が高いことを示唆している。実際、Mfn1 および Mfn2 の発現レベルは、ミトコンドリアの形態と同様に、細胞または組織の種類によって異なる。^[12]

酵母では、3 つのタンパク質がミトコンドリア融合に必須である。Fzo1 (P38297) と Mgm1 (P32266) は、それぞれ外膜と内膜に存在する保存されたグアノシン三リン酸分解酵素である。各膜では、これらの保存されたタンパク質が、膜固定と脂質混合の異なるステップに必要である。3 つ目の必須成分は Ugo1 であり、これはミトコンドリアキャリア (MC) ファミリーの領域と相同だが遠縁の領域を持つ外膜タンパク質である。Hoppinsら ( 2009) は、Ugo1 がこのファミリーの改変メンバーであり、3 つの膜貫通ドメインを含み、Ugo1 の融合機能に重要な構造である二量体として存在することを示した。^[13]彼らの Ugo1 の分析は、膜固定後の外膜と内膜の両方の融合に必要であることを示しており、融合の脂質混合ステップで機能することを示す。この役割は融合ダイナミン関連タンパク質とは異なり、各膜において、単一の融合タンパク質だけでは脂質混合段階を駆動するのに十分ではないことを示しています。代わりに、この段階ではより複雑なタンパク質の組み立てが必要です。融合孔の形成はまだ実証されていません。^{[13] [14] Ugo1タンパク質は}MCスーパーファミリーのメンバーです。

• ミトコンドリアの分裂
• ミトコンドリアキャリア
• MFN1
• MFN2
• OPA1
• DN1 1 1 1
• トランスポーター分類データベース