線粒體內(nèi)膜蛋白OMA1

日期：2019-09-24 14:21:22

線粒體是細(xì)胞的主要供能細(xì)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(shí)還參與鈣離子的儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)、細(xì)胞增殖、細(xì)胞分化及細(xì)胞死亡等活動(dòng)。線粒體通過(guò)分裂、融合的動(dòng)態(tài)平衡構(gòu)成線粒體網(wǎng)絡(luò)（如圖1所示），也就是常說(shuō)的線粒體動(dòng)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(diǎn)與難點(diǎn)。

Figure 1. The function of mitochondrial network

OMA1，是一種由OMA1基因表達(dá)，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(shuō)法比較一致的是，OMA1可以通過(guò)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(dòng)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(xì)胞線粒體分裂和融合的動(dòng)態(tài)平衡^[2]。而進(jìn)一步闡明線粒體蛋白酶OMA1的作用機(jī)理對(duì)于探明許多疾病的發(fā)病機(jī)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(gè)方面詳細(xì)介紹了線粒體蛋白酶OMA1。

1. OMA1結(jié)構(gòu)

2. OMA1功能

3. OPA1-OMA1調(diào)控機(jī)制

4. OMA1與疾病

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(gè)氨基酸組成，其中包含了位于1-13的氨基酸的信號(hào)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?yàn)樗cm-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(kāi)始受關(guān)注。在證實(shí)OMA1線粒體定位的兩項(xiàng)研究中同時(shí)也描述了哺乳動(dòng)物的同源物N端有長(zhǎng)度為170個(gè)氨基酸的延伸氨基末端，這可能會(huì)對(duì)高等生物的拓?fù)浣Y(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并定位催化位點(diǎn)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(shí)，當(dāng)線粒體失去膜電位或ATP時(shí)，OMA1可降解哺乳動(dòng)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(jī)制^[6][7]。

另外，有研究表明，在OMA1缺失的條件下，OPA1在S1位點(diǎn)的剪切出現(xiàn)障礙，但線粒體的形態(tài)沒(méi)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(diǎn)是OPA1 mRNA的剪切位點(diǎn)，會(huì)在后面的OMA1/OPA1調(diào)控機(jī)制中詳細(xì)介紹）。OMA1缺陷鼠可以存活，但會(huì)患飲食導(dǎo)致的肥胖癥，并且機(jī)體的生熱作用異常，這預(yù)示著在維持代謝平衡時(shí)，OMA1對(duì)OPA1的剪切起著重要作用^[8]。

3. OPA1-OMA1調(diào)控機(jī)制

哺乳動(dòng)物的OPA1在許多細(xì)胞活動(dòng)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(dòng)又與線粒體動(dòng)力學(xué)相互影響。OPA1的生物合成，受到轉(zhuǎn)錄和翻譯2個(gè)水平的調(diào)控。在哺乳動(dòng)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(lái)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(diǎn)外(切除線粒體引導(dǎo)序列)，都含有S1剪切位點(diǎn)，有些多肽的C端含有S2剪切位點(diǎn)。S1、S2位點(diǎn)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(cè)，任何一條mRNA經(jīng)翻譯后，都可以產(chǎn)生一條長(zhǎng)OPA1(L-OPA1，只在MPP位點(diǎn)剪切)和一條或更多條短OPA1 (S-OPA1，在Sl或S2位點(diǎn)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(diǎn)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(shì)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?xiàng)l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(jìn)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(jìn)一步對(duì)OPA1（分別在S1和S2位點(diǎn)）進(jìn)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(méi)有AFG3L2（m-AAA）的情況，此時(shí)pre-pro-OMA1到 pro OMA1的轉(zhuǎn)化效率最小，會(huì)引起廣泛的細(xì)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(huì)激活其他蛋白酶調(diào)控的緊急通路來(lái)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(huì)增強(qiáng)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(dòng)蛋白，在許多細(xì)胞活動(dòng)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(huì)過(guò)度水解OPA1，然后促進(jìn)線粒體斷裂，如果持續(xù)，則會(huì)引發(fā)體內(nèi)細(xì)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(shí)了應(yīng)激反應(yīng)下OMA1對(duì)OPA1的水解能夠促進(jìn)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(zhǎng)模型組小鼠的壽命。同時(shí)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(dú)立于嵴形狀促進(jìn)神經(jīng)元存活。這個(gè)結(jié)論在抑制素膜支架缺失的情況下也得到了證實(shí)。

4.2 OMA1與癌癥

癌癥細(xì)胞中存在“瓦伯格效應(yīng)”(the Warburg effect)。因?yàn)槟[瘤和正常成體組織存在著代謝差異,它們主要通過(guò)糖酵解產(chǎn)能，同時(shí)大量生成乳酸，這種代謝性質(zhì)使得腫瘤細(xì)胞的耗糖速度遠(yuǎn)大于正常細(xì)胞^[15]。這種腫瘤細(xì)胞對(duì)糖酵解通路產(chǎn)能依賴增強(qiáng)的現(xiàn)象被稱為瓦伯格效應(yīng)，該效應(yīng)會(huì)極快地促進(jìn)細(xì)胞增生和腫瘤生長(zhǎng)。以瓦伯格效應(yīng)進(jìn)行代謝為主的癌癥細(xì)胞，線粒體的嵴會(huì)減少^[16]，而OPA1也會(huì)減少，但OMA1會(huì)增多。此外，Marcel V. Alavi在BAX和BAK1依賴性細(xì)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(xì)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(shí)驗(yàn)也證實(shí)OMA1在腫瘤環(huán)境中被激活，這也是新型個(gè)性化癌癥療法的藥物靶點(diǎn)代表之一。

References

[1] Marcel V. Alavi. Targeted OMA1 therapies for cancer [J]. Int J Cancer. 2019 Feb 4.

[2] Pedro M. Quirós, Andrew J. Ramsay, et al. New roles for OMA1 metalloprotease from mitochondrial proteostasis to metabolic homeostasis [J]. Adipocyte. 2013, 2:1, 7–11.

[3] Kozlowski LP. IPC - Isoelectric Point Calculator [J]. Biology Direct. 2016, 11 (1): 55.

[4] Kaser, M., Kambacheld, M., et al. Oma1, a novel membrane-bound metallopeptidase in mitochondria with activities overlapping with the m-AAA protease [J]. J. Biol. Chem. 2003, 278, 46414–46423.

[5] Bao, Y.C., Tsuruga, H., et al. Identification of a human cDNA sequence which encodes a novel membrane-associated protein containing a zinc metalloprotease motif [J]. DNA Res. 2003, 10, 123-128.

[6] Ehses S, Raschke I, et al. Regulation of OPA1 processing and mitochondrial fusion by m-AAA protease isoenzymes and OMA1 [J]. The Journal of Cell Biology. 2009, 187 (7): 1023–36.

[7] Korwitz A, Merkwirth C, et al. Loss of OMA1 delays neurodegeneration by preventing stress-induced OPA1 processing in mitochondria [J]. The Journal of Cell Biology. 2016, 212 (2): 157–66.

[8] McBride H, Soubannier V. Mitochondrial function: OMA1 and OPA1, the grandmastem of mitochondrial health [J]. Current biology. 2010, 20 (6):274-276.

[9] Wang JK, Wu HF, et al. Postconditioning with sevoflu-lane protects against focal cerebral ischemia and reperfusion injury involving mitochondrial A7rP-dependent potassium channel and mitochondrial permeability transition pore [J]. Neurological research. 2015, 37(1):77—83.

[10] Maltecca, F., Aghaie, A., et al. The mitochondrial protease AFG3L2 is essential for axonal development [J]. J. Neurosci. 2008, 28, 2827-2836.

[11] Francesco Consolato1, Francesca Maltecca1. m-AAA and i-AAA complexes coordinate to regulate OMA1, the stress-activated supervisor of mitochondrial dynamics [J]. Journal of Cell Science. 2018, 131, jcs213546.

[12] Hoppins S, Lackner L, et al. The machines that divide and fuse mitochondria [J]. Annu Rev Biochem. 2007, 76:751-780.

[13] Chan DC. Mitochondrial fusion and fission in mammals [J]. Annu Rev Cell Dev Biol. 2006, 22:79 ~99.

[14] Anne Korwitz, Carsten Merkwirth, et al. Loss of OMA1 delays neurodegeneration by preventing stress-induced OPA1 processing in mitochondria [J]. J Cell Biol. 2016, 212(2): 157–166.

[15] Esen E, Chen J, et al. WNT-LRP5 signaling induces Warburg effect through mTORC2 activation during osteoblast differentiation [J]. Cell Metab. 2013, 17:745-755.

[16] Plecita-Hlavata L, Jezek P. Integration of superoxide formation and cristae morphology for mitochondrial redox signaling [J]. Int J Biochem Cell Biol. 2016, 80:31-50.