本文是Shanshan Liu、Siqi Liu和Hui Jiang发表于The FEBS Journal的一篇综述，题为“Multifaceted roles of mitochondrial stress responses under ETC dysfunction – repair, destruction and pathogenesis”。该综述系统梳理了电子传递链（electron transport chain, ETC）功能障碍下线粒体应激反应在酵母、秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）和哺乳动物中的触发机制、信号通路与功能结局，并着重讨论了这些反应在修复、清除与疾病发生中的多重角色。
一、研究背景与核心问题
线粒体通过ETC完成氧化磷酸化，将还原当量NADH和FADH₂中的电子传递给氧气，同时将质子泵入膜间隙，形成质子动力势（proton motive force, dp）。质子动力势主要由线粒体膜电位（mitochondrial membrane potential, Δψm）和质子梯度（ΔpH）组成，驱动ATP合成、代谢物转运、蛋白质输入及铁硫簇（iron–sulfur cluster, ISC）合成等多个关键过程。
ETC功能障碍是线粒体疾病的常见病理特征，可导致Δψm下降、基质酸化、代谢紊乱以及蛋白质稳态压力。不同物种对ETC功能障碍的应激反应存在显著差异，且同一物种内的反应结局也依赖于具体情境。作者提出三个核心问题：应激反应的触发因素与感受器是什么；应激反应如何影响ETC缺陷线粒体；这些反应在细胞和整体水平上产生何种功能后果。
二、自主适应机制
在ETC功能障碍时，细胞首先启动自主适应。FoF1-ATP酶由ATP合成酶转变为ATP水解酶，通过水解ATP泵出质子以维持Δψm。当Δψm和基质ATP/ADP比值进一步下降，腺嘌呤核苷酸转运体（ANT）反向转运胞质ATP进入基质并输出ADP。在mtDNA缺失或线粒体基因表达缺陷的极端情况下，Fo亚基丢失，仅剩F1亚基继续水解ATP，维持Δψm的效率显著降低。
同时，ETC功能障碍使线粒体基质NADH积累，抑制三羧酸循环中异柠檬酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶和苹果酸脱氢酶等NADH生成步骤，使ATP生成主要依赖糖酵解。然而胞质NADH/NAD⁺比值升高会抑制甘油醛-3-磷酸脱氢酶，因此细胞通过促进甘油-3-磷酸合成来再生NAD⁺，维持糖酵解ATP生成。这一保守适应在酵母、线虫和哺乳动物中均有发现。
三、线虫中的线粒体未折叠蛋白反应（UPRmt）
在线虫中，ETC功能障碍主要激活线粒体未折叠蛋白反应（mitochondrial unfolded protein response, UPRmt）。尽管命名为未折叠蛋白反应，UPRmt实际上主要由Δψm下降和蛋白质输入受阻触发，其核心感受器是转录因子ATFS-1。正常状态下，ATFS-1依赖其N端线粒体靶向序列（mitochondrial targeting sequence, MTS）输入线粒体基质，并被LONP-1蛋白酶降解。Δψm下降导致输入受阻，ATFS-1转位至细胞核，改变基因表达。
ATFS-1在细胞核内上调糖酵解、线粒体输入、蛋白质稳态、氧化磷酸化组装、线粒体翻译及活性氧解毒等基因，同时抑制三羧酸循环酶和氧化磷酸化亚基的表达。ATFS-1还与mtDNA结合，抑制线粒体编码基因的转录。功能上，ATFS-1对ETC突变体的存活是必需的，但其具体下游效应基因如何修复线粒体仍不清楚。值得注意的是，UPRmt的组成性激活对野生型线虫有毒并缩短寿命，而且在携带突变mtDNA的线虫中，ATFS-1的组成性激活会增加突变mtDNA负担并导致不良后果，说明UPRmt的功能结局依赖具体背景。
四、酵母中的Δψm维持程序
酵母ρ0细胞（mtDNA缺失）面临最严重的Δψm维持挑战。整合转录组、蛋白质组和核糖体足迹数据，作者发现ρ0细胞通过多条途径维持Δψm。第一，AMPK/Snf1磷酸化转录抑制因子Mig1，促进葡萄糖转运体和糖酵解基因表达，增加ATP供应，同时抑制核糖体生物合成以节省能量。删除SNF1会降低Δψm并导致ρ0细胞死亡，但同时删除MIG1和抑制核糖体生物合成可以完全挽救。
第二，ρ0细胞下调转录因子Hap4的表达。Hap4与Hap2/Hap3/Hap5形成复合物，介导氧化磷酸化亚基的转录。其最重要的靶基因是INH1，该基因编码FoF1-ATP酶的抑制剂。Hap4下调降低Inh1水平，增强F1-ATP酶的ATP水解活性，从而维持Δψm。
第三，ρ0细胞中mRNA结合蛋白Puf3发生高度磷酸化，提高其结合的数百个线粒体相关mRNA的稳定性，增强线粒体输入、氧化磷酸化组装、线粒体蛋白质稳态和线粒体翻译等功能。Mia40被鉴定为Puf3最重要的底物，过表达Mia40可以挽救ρ0Δpuf3细胞的Δψm下降和增殖缺陷。
酵母与线虫的应激反应在下游高度相似，均上调糖酵解、线粒体输入、线粒体伴侣蛋白/蛋白酶、线粒体翻译和氧化磷酸化组装，并抑制核编码氧化磷酸化亚基的表达。这提示线虫UPRmt可能同样以维持Δψm为目标，且线粒体折叠压力在ETC突变体中可能并不严重。
五、哺乳动物中的线粒体整合应激反应（ISRmt）
哺乳动物ETC功能障碍主要通过真核翻译起始因子2α（eIF2α）磷酸化激活整合应激反应（integrated stress response, ISR）。ETC功能障碍通过两条途径激活eIF2α磷酸化：一是天冬氨酸和天冬酰胺水平下降激活GCN2；二是Δψm下降激活线粒体内膜金属蛋白酶OMA1，后者切割DELE1，释放的DELE1片段转位至胞质激活HRI激酶。eIF2α磷酸化抑制全局翻译，同时促进ATF4和ATF5等应激相关mRNA的翻译。
ATF4诱导丝氨酸合成、一碳代谢、转硫途径和脯氨酸合成等基因，并通过FGF21和GDF15等分泌激素重编程系统代谢。在多种线粒体疾病小鼠模型中，ATF4及其下游基因促进疾病进展。ATF4上调丝氨酸合成和线粒体一碳代谢，增加胞质和线粒体基质NADH积累。MTHFD2是线粒体一碳代谢的限速酶，也是ETC障碍下基质NADH积累的主要来源；删除MTHFD2可以部分缓解NDUFS4⁻/⁻小鼠的线粒体疾病。FGF21增强脂解和脂肪酸氧化，释放的NADH和FADH₂无法被ETC缺陷线粒体氧化，可能加剧代谢紊乱。在肌肉特异性OPA1敲除小鼠中删除FGF21可恢复代谢并延长寿命。这些结果表明ATF4介导的ISRmt在线粒体疾病中可能具有毒性。
六、PINK1-Parkin信号通路与线粒体自噬
PINK1是位于线粒体外膜的丝氨酸/苏氨酸激酶，其突变导致常染色体隐性早发性帕金森病。正常线粒体中，PINK1通过TOM/TIM23通道输入，被线粒体加工肽酶和PARL切割后降解。Δψm下降阻断PINK1输入，使其稳定于外膜并形成二聚体，激活自磷酸化。活化的PINK1磷酸化泛素和Parkin，启动线粒体自噬（mitophagy）。
Parkin泛素化多种外膜蛋白，招募自噬受体NDP52和optineurin。在Parkin招募之前，输入受阻的前体蛋白可被NOT4或MARCH5/Mitol泛素化，作为早期自噬信号。PINK1-Parkin通路还促进氧化磷酸化亚基的局部翻译，但具体机制仍不清楚。
在体内功能方面，PINK1或Parkin敲除并不影响果蝇和小鼠的基础线粒体自噬。在mtDNA突变小鼠模型中，Parkin通常具有保护作用，但许多情况下并不影响突变mtDNA的负载。在线虫中，敲除Parkin和自噬基因反而缓解突变mtDNA相关疾病进展。这些结果提示线粒体自噬的作用高度依赖具体情境。
七、结论与展望
ETC功能障碍诱发的线粒体应激反应在不同物种中既有共同点也有独特性。酵母和线虫能激活强大的Δψm维持或修复程序，而哺乳动物似乎缺乏或仅微弱激活此类反应。哺乳动物ISRmt的ATF4分支反而可能加剧代谢紊乱并加速疾病进展。因此，哺乳动物线粒体应激反应不应简单沿用低等生物中“有利反应”的框架，必须仔细区分哪些反应是有益的，哪些是有害的。此外，哺乳动物不同组织对ETC功能障碍的反应存在显著异质性，未来研究应关注组织特异性应激反应及其在疾病中的功能。