质膜异位F1F0-ATP合成酶研究进展

摘　要：F1F0-ATP合成酶过去被认为是严格的线粒体内膜蛋白，近年来的研究表明，该酶的一些亚基广泛分布于一些肿瘤细胞以及脂肪细胞等的质膜表面，称为质膜异位F1F0-ATP合成酶。论文综述质膜异位F1F0-ATP合成酶的发现，发生异位的可能机制以及在质膜表面F1F0-ATP合成酶作为受体蛋白参与的一些生物学现象，也指出了质膜异位F1F0-ATP合成酶在抗肿瘤、抗肥胖，以及其他领域的应用前景。

关键词：质膜；异位F1F0-ATP合成酶；受体蛋白

F1F0-ATP合成酶是一个非常重要的催化酶，同时又是一个分子发动机，参与原核生物和真核生物在氧化磷酸化和光合磷酸化过程中ATP的合成。主要分布于线粒体内膜、叶绿体类囊体膜、细菌质膜，F1F0-ATP合成酶包括膜外的线粒体基质侧的F1单位和镶嵌于线粒体内膜内的F0单位，二者通过一个中央茎杆紧密联系。F1单位由5个不同的亚基组成，分别为α3、β3、γ1、δ1、ε1，其中α、β亚基围绕着γ亚基上的两个呈反向平行的α螺旋交替排列，ATP的合成位点在β亚基上处于α/β亚基的接触区。关于F0单位的研究远没有F1单位深入。普遍认为所有生物的F0单位都包含a、b、c3种亚基，不同的物种往往含有不同的c亚基数目，如在大肠埃希菌中，c亚基的数目为9～12，而在酵母的线粒体ATP合成酶中，c亚基的数目为10；同时对于大肠埃希菌的研究表明，在不同的碳源状态下，其c亚基的数目是不固定的。Boyer PD在1993年提出了关于ATP合成的结合变构假说：由于质子电化学梯度的存在，质子通过F0单位，同时引起γ亚基的旋转，由于γ亚基与催化亚基β可以产生不同的相互作用从而赋予他们不同的核苷酸亲和力，中央茎杆状转子的旋转伴随着β亚基构象的周期性变化，即呈现对核苷酸亲和力的低、中、高变化；这三种状态分别对应于ATP的释放、ADP与无机磷酸底物的结合、ATP的合成三种结构状态。

1　异位F1F0-ATP合成酶的发现及其可能的异位机制

F1F0-ATP合成酶过去被认为是严格表达在线粒体内部的，该酶的各个亚基都由细胞核基因编码，在细胞溶胶中翻译加工后移位到线粒体的内膜上，组装成为有活性的大分子复合物，即F1F0-ATP合成酶。近来研究发现，该酶的组成蛋白也定位在一些细胞质膜的表面，并且可以作为多种配体的受体参与各种生物学过程。

1994年，F1F0-ATP合成酶首次在肿瘤细胞的表面被检测到，但当时不被人们所接受，推测可能为细胞培养过程中的假象或是肿瘤细胞的不稳定所造成的结果。后来，Moster等采用抗F1F0-ATP合成酶的α、β亚基的特异性抗体，证实该酶异位到了质膜上。同时，SoltysB T等也定位了大量的线粒体蛋白质在一些细胞的表面质膜上，而且在很多种情况下，这些蛋白质表现出了一定的功能。QiL等发现一个靶向线粒体的肿瘤抗原，该抗原蛋白质定位在MHCⅡ类瘤细胞的质膜上。Kim BW等通过免疫荧光技术、细胞分布分馏法、细胞表面生物素化等方法分析显示高水平表达的F1F0-ATP合成酶复合体不只在线粒体中定位，在细胞表面尤其是脂肪细胞的脂质筏中也有存在。SarahK采用骨肉瘤细胞系检测F1F0-ATP合成酶和呼吸链复合体在质膜的分布，结果同其他人的结果一样，这些线粒体蛋白的排列同他们在脂质筏中的排列是一致的。WahlM L等报道，参与线粒体电子传递以及ATP合成体系的很多酶与组成成分，在内皮细胞的质膜上都可以检测到。MiriamL已经确定大部分线粒体内膜蛋白都可以在内皮细胞的表面定位到。而其他类型的细胞，包括肿瘤细胞、肝细胞、纤维原细胞都在质膜表面发现了F1F0-ATP合成酶的存在。尽管F1F0-ATP合成酶被证实存在于所有能量转换的膜上，但是试验证明很多的线粒体蛋白在其他的非线粒体器官中被发现，提示这些线粒体蛋白在质膜上出现可能存在新的功能。存在于细胞质膜上的电子传递链和其他的内膜蛋白，是否保持其天然生物学功能，现在还无法确认，但是对于质膜异位F1F0-ATP合成酶的生物学活性在血管内皮细胞中已经被确认，大量的线粒体功能组份的细胞质膜转运提示存在一个至今还未被发现的机制，启动了线粒体内膜蛋白大量异位于细胞质膜，而且在质膜上发挥一些特殊的生物学使命。

关于线粒体蛋白质的异位机制，现在有一下几种假设：①质膜线粒体蛋白质参与了细胞的免疫监测；②线粒体mRNA的泄露导致了其基因产物异位到了质膜上，VooKS等发现一个由线粒体的一个选择性开放阅读框编码的T-细胞识别多肽-细胞色素b出现在恶性黑素瘤细胞，他们认为细胞色素b的mRNA发生了泄露，从线粒体中异位到了细胞质；③细胞器官与质膜发生了融合，导致它们参与了部分膜分泌蛋白途径。

2　异位F1F0-ATP合成酶参与的一些生物学现象

2.1　脂质代谢

Kim BW等研究表明，高水平表达的F1F0-ATP合成酶复合体也存在于细胞表面，尤其是脂肪细胞的脂质筏中。在脂肪细胞中ADP和Pi的加入会导致高浓度的ATP合成(超过30μmol/L)，反映了质膜F1F0-ATP合成酶参与了细胞外ATP的合成，同时他们还得出，酸性条件会降低胞外ATP的合成，表明膜表面ATP合成酶可能也受质膜质子梯度的调节。由神经酰胺诱导的胆固醇的降解，降低了F1F0-ATP合成酶β亚基在雪旺氏细胞脂质筏中的含量，而胆固醇的合成又会增加F1F0-ATP合成酶β亚基在血管内皮细胞中向质膜的转移。这些结果表明，异位F1F0-ATP合成酶β亚基在细胞功能的调节，如胆固醇代谢和类脂化合物代谢，同时他们还用ATP合成酶不同的小分子颉颃剂和该酶α/β亚基的特异性抗体，作用ATP合成酶，发现细胞溶胶中脂质小滴的积累明显减少；转脂蛋白AI可与F1F0-ATP合成酶β亚基发生特异性的结合从而抑制F1F0-ATP合成酶的活性，同时也观察到了脂质积累受到抑制的现象。此现象表明，细胞表面F1F0-ATP合成酶参与了脂肪细胞中的脂质代谢。

由于质膜F1F0-ATP合成酶参与了脂肪细胞中的脂质代谢，所以它可以作为很有潜力的抗肥胖药物。

2.2　耦合因子

耦合因子(coupling factor6，CF6)是ATP合成酶的一个组成成分，它在体内循环并可以抑制磷脂酶A2的活力，从而起到血管收缩控制子的功能。在人过度紧张的情况下，在细胞质中检测到了CF6的高水平表达，将人脐静脉内皮细胞(HUVECs)与过量的自由CF6孵育，之后用F1F0-ATP合成酶β亚基的特异性抗体检测，发现CF6降低了抗体与β亚基50%的免疫反应活力，但是没有影响α亚基。F1F0-ATP合成酶β亚基抗体能抑制CF6诱导的血液压力升高，显示质膜异位F1F0-ATP合成酶β亚基可能是CF6的一个特异性受体。F1F0-ATP合成酶复合体的β亚基存在3个不同的催化亚单位，分别为βTP-核酸的紧密结合位点、βDP-核酸的松散结合位点、βE-弱结合位点或释放位点。通过置换层析法发现CF6的结合位点为βE，这个结果和在肝细胞中得出的HDL颗粒与质膜F1F0-ATP合成酶β亚基的结合很相像，都受到ADP的抑制，所以ADP可作为反馈调节因子来调节CF6的生物学功能。

质膜F1F0-ATP合成酶β亚基是CF6的一个受体蛋白，它们结合后通过调节升高细胞内的氢离子浓度来产生信号传递。这将为更好的了解血管压力的调节机制以及针对人类高血压寻找更好的治疗途径提供理论支持。

2.3　血管生成抑制素

血管生成抑制素是一种天然血管生成抑制剂，已经被证实可以抑制血管生成，并且有效阻止肿瘤生长。关于血管生成抑制素与质膜ATP合成酶的相互作用，近年来已经在很多的肿瘤细胞中加以证实。其中MiriamL构建了特异性的亲和层析柱，已确定与血管生成抑制素相互作用的分子。人脐静脉内皮细胞(HUVECs)的质膜提取物被用来上柱，之后特异性结合的蛋白被洗脱下来，经过SDS-PAGE和Westernblot，以及对目的条带的蛋白质组学鉴定，发现了一系列蛋白质与血管生成抑制素有相互作用，分子质量范围从20 ku～65ku不等，含量最多的是分子质量约为55ku的蛋白质，对该蛋白质胰蛋白酶消化后质谱分析发现，含有F1F0-ATP合成酶的α和β亚基成分，从而证明了内皮细胞表面存在F1F0-ATP合成酶，且与血管生成抑制素有相互作用。

在内皮细胞中，F1F0-ATP合成酶的α，β亚基与血管生成抑制素的相互作用，可以调节细胞表面ATP的水平，进而影响血管内皮细胞的增值和分化，在抑制肿瘤血管生成中起着重要的作用。

2.4　热休克蛋白

热休克蛋白(heat-shockprotein，Hsp)是一组糖蛋白，作为分子伴侣参入蛋白质的合成、折叠、装配、运输和降解等过程，具有多种生物学作用。研究表明，为了提高线粒体的部分蛋白质的稳定性，F1F0-ATP合成酶与Hsp60有相互作用。AdoniaE发现F1F0-ATP合成酶可与分子伴侣Hsp90及其客户蛋白发生免疫共沉淀，他们用F1F0-ATP合成酶的天然小分子抑制剂efrapeptins作用于上面的沉淀复合体，发现可以导致该复合物的解体，而efrapeptins可特异性的结合该酶的β亚单位。

由于Hsp90在癌症的增长中起到非常重要的作用，采用该酶的抑制剂如efrapeptins来抑制Hsp90的功能，将能开辟一条新奇、有效、特别的抗肿瘤路线。

3　展望

质膜异位F1F0-ATP合成酶在细胞水平，如淋巴细胞、肝细胞、人血管内皮细胞、脂肪细胞等中的存在已经被证实，关于它的新奇功能也已有报道，在质膜上除了参与正常的ATP的代谢之外，还参与了其他的生物学过程，如作为一些分子配基的特异性受体蛋白，参与了受配体结合后的信号转导以及细胞的脂类代谢、肿瘤形成等过程，那么到底是什么力量驱使F1F0-ATP合成酶发生异位？从线粒体内膜“长途跋涉”到质膜的F1F0-ATP合成酶到底有什么使命需要完成？这些都是需要今后要努力去探索的。