线粒体的生物生成（biogenesis）和自噬（mitophagy）代表线粒体的新生和清除过程，二者协调作用，相互制约，共同控制线粒体结构和功能，从而进行线粒体自身的质量控制（quality control）；不能通过线粒体自身质量控制修复的严重损伤，则引起细胞凋亡（apoptosis），在细胞水平进行质量控制。

线粒体生物生成指新的线粒体产生的过程，是线粒体从产生到清除整个生命周期的开始。线粒体生物生成需要nDNA和mtDNA协同作用，合成线粒体所需蛋白质、生物膜，此过程也包括蛋白质的转运、定位、正确折叠等。

线粒体蛋白质约99%是由核基因编码的，mtD-NA仅编码呼吸链复合物中13种基础成分。线粒体呼吸链大部分组分、线粒体基质内代谢酶类、线粒体膜上离子通道、蛋白转运孔道、线粒体动力学相关蛋白等，以及线粒体自身DNA复制、基因转录及翻译等所需聚合酶、转录因子，均需要核基因编码。可见，维持细胞正常生理活动及对病理刺激的反应性，需要核基因与线粒体基因间的精准协调作用。

线粒体生物生成是一个复杂的过程，包括线粒体DNA复制、转录和翻译，核编码蛋白的运输、转运入膜以及折叠、组装等。在环境因素改变或细胞受到刺激时，通过细胞内信号的严格调控，激活线粒体生物生成相关转录因子，开启线粒体生物生成过程。细胞内参与线粒体生物生成的信号分子包括激素、钙离子、cAMP、NO、eNOS、MAPKs、PKA 等，这些信号分子调节线粒体生物生成主要的转录因子，如 PGC-1α（peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1α）、NRF1 和 NRF2（nuclear respiratory factor 1，2），以及 TFAM（mitochondrial transcription factor A）等，从而调节线粒体的生物生成过程。

PGC-1α是线粒体生物生成核心调控因子，是线粒体呼吸链组分和脂肪酸氧化基因转录因子的辅助因子，从多个方面对线粒体生物生成进行调控。PGC-1α的活性与其蛋白含量、亚细胞定位、蛋白水平修饰相关。PGC-1α主要位于细胞质中，磷酸化或去乙酰化的PGC-1α转位并滞留于细胞核，激活线粒体生物生成相关基因。例如，在运动、限食以及氧化应激等病理刺激下，PGC-1α蛋白水平上调，激活NRF1/2、雌激素相关受体 ERRs、FOCO1（forkhead box O1）、YY1、MEF2（myocyte enhancer factors）等一系列转录因子。此外，PGC-1α也可直接定位于线粒体，调节线粒体转录因子TFAM活性。

PGC-1α的上游调控信号分子包括 AMPK，当AMP/ATP改变时，激活 AMPK，AMPK磷酸化并激活PGC-1α；AMPK也可激活去乙酰化酶SIRT1，活化的SIRT1入核后，使PGC-1α去乙酰化而滞留于细胞核内；乙酰转移酶KAT2则可使PGC-1α乙酰化而抑制其转录因子活性。CREB（cAMP responsive element binding protein）也是 PGC-1α的上游调控因子，在环境因素刺激下，通过 cAMP-PKA信号途径激活的CREB，CREB进一步激活包括PGC-1α、NRF1以及 TFAM 在内的一系列转录因子。由于AMPK和PKA信号途径也同时参与自噬的调节，因此，这些信号通路可能对线粒体生成和降解进行协同调节。不同MAPK成员也参与不同情况下线粒体的生物生成。例如，p38参与运动时PGC-1α启动子的激活，加强NRF1对细胞色素氧化酶的调节；而MAPK1/3在不同的细胞中对PGC-1α可起激活或抑制作用。GSK3β（glycogen synthase kinase 3β）可使PGC-1α通过蛋白酶体途径进行降解。

NRF1/2（nuclear respiratory factors）是参与线粒体呼吸链等蛋白质组分转录的主要核因子。NRF1/2结合于线粒体呼吸链各组分基因、线粒体转录因子TFAM及TFBs基因的启动子，调节线粒体转录及核糖体组装。NRF1/2活性通过蛋白水平的修饰进行调节，例如，磷酸化或乙酰化的NRF1与靶基因结合的能力增加。

TFAM（mitochondrial transcription factor A）由细胞核基因编码，是线粒体DNA的关键转录因子，调控线粒体DNA复制及转录。TFAM蛋白含量与线粒体DNA拷贝数相关。TFAM基因敲除后线粒体氧化磷酸化无法进行，而过表达TFAM则使线粒体生物生成及 ATP合成增加。TFAM受 PGC-1α和NRF1/2调控。位于线粒体基质的LONP1蛋白酶可降解TFAM蛋白。当LONP1水平降低时，TFAM蛋白含量增加，线粒体DNA拷贝数增加。

在生理情况下如衰老时，线粒体生物生成减少，线粒体数量及蛋白均降低，生物生成核心调控因子PGC-1α水平下降，这可能是衰老机体细胞中PGC-1α入核障碍以及PGC-1α下游信号调节障碍等原因造成的。适当锻炼能上升 PGC-1α水平、增加线粒体数量及蛋白。病理情况下，尤其是神经退行性疾病，如亨廷顿病、阿尔茨海默病，以及帕金森病患者中，线粒体生物生成明显降低，线粒体氧化磷酸化复合酶活性降低、PGC-1α及下游信号蛋白含量降低、线粒体功能降低等现象普遍存在。过表达或激活PGC-1α可部分逆转突变HTT蛋白所致的毒性、增加线粒体数量，并改善疾病模型小鼠的生存率。基因meta分析显示，PGC-1α缺失是帕金森病的主要致病因素。而肺癌、子宫颈癌、骨肉瘤、乳腺癌、大肠癌等细胞中，PGC-1α和TFAM蛋白水平降低，线粒体生物生成降低；在细胞水平诱导PPAR或表达PGC-1α，可以促进线粒体氧化磷酸化及增加线粒体DNA拷贝数，并抑制癌细胞生长率及侵袭性。这种特性可能与肿瘤细胞线粒体有氧氧化降低而无氧糖酵解增加有关。但在另一些癌细胞例如皮肤鳞状细胞癌及子宫内膜癌，肿瘤的生长却伴随着线粒体生物生成的增加。

自噬是指溶酶体对细胞自身成分的降解，以使细胞适应外界环境或完成生物体的发育过程。因此自噬在所有的真核细胞生物中都相当保守。1955年Christian de Duve发现溶酶体，并于1963年首次提出了自噬的概念。这一概念最早用于描述电镜下发现的胞质成分或细胞器在特异的单层或双层膜结构中被溶酶体降解的过程。随着自噬过程的分子机制逐步被阐明及相关基因被揭示，发现自噬不仅仅是细胞新陈代谢的一种机制，还参与多种生理及病理过程，例如生物体的生长、发育、衰老，细胞程序性死亡，肿瘤的发生发展，病原体的感染和免疫，神经退行性疾病，心血管疾病等。

由于自噬体中大多包含有胞质成分，所以此过程一直被认为是非特异性的。1973年Robert等发现某类内质网可被选择性自噬，才开始研究针对不同细胞内组分的特异性自噬。由于线粒体在细胞中承担重要功能，维持线粒体的健康对细胞存活至关重要，而损坏、衰老或过多的线粒体则需及时清除。因此，合理有效的选择性清除机制对维持正常的线粒体群体和细胞的存活均极为重要。

John Lemasters首次提出线粒体自噬（mitophagy）的概念，认为线粒体膜通透转换孔道mPTP开放导致线粒体膜电位下降是选择性线粒体自噬发生的重要诱因。此观点在随后的研究中得到证实。多种线粒体蛋白的改变均可导致线粒体自噬。例如，线粒体内膜融合蛋白 OPA1下调导致线粒体分裂，常伴随有线粒体自噬发生；温敏蛋白fmc1突变后，线粒体 F ₀F ₁-ATPase损伤引起自噬；线粒体内膜K ⁺/H ⁺交换体Mdm38蛋白的缺失，使线粒体K ⁺超载及渗透压改变而膨胀，线粒体断裂并发生自噬。

Atg32和Atg33是目前明确和线粒体自噬特异性相关的基因。Atg32是线粒体外膜蛋白，其N端伸向胞质，C端位于内外膜间隙，大小为 59kD。Atg32还含有和自噬相关基因Atg19相类似的Atg8结合域。线粒体自噬发生时，Atg32作为外膜受体与Atg11和Atg8相互作用，使线粒体成为自噬的靶标。Atg33同样定位于线粒体外膜，能识别或介导衰老线粒体被自噬性清除。缺失Atg33使饥饿诱导的自噬大部分被抑制。此外，Atg33缺失可以完全抑制细胞生长对数期后线粒体的自噬。但Atg33具体介导线粒体自噬的分子及识别机制尚不清楚。

线粒体是细胞内主要的活性氧（reactive oxygen species，ROS）产生场所。细胞内氧化还原状态的平衡是调节线粒体自噬的一个重要条件，而ROS是影响细胞氧化还原状态的主要因素，在自噬过程中具有复杂的作用。ROS可直接参与自噬过程。在饥饿、缺血复灌和TOR酶活性抑制等条件下，ROS可引起自噬，而抗氧化剂则抑制自噬。由于线粒体ROS在胞质内形成浓度梯度，对其氧化底物Atg4及其他自噬相关蛋白的活性也呈现梯度调控的形式。此外，线粒体局部高ROS浓度容易导致线粒体DNA、蛋白及脂质的损伤，线粒体DNA突变或膜蛋白的氧化损伤增加蛋白错误合成和折叠的比例，在线粒体膜上形成类似于mPTP的非特异孔道，从而进一步加剧选择性线粒体自噬的发生。

Bnip3/Nix和FUNDC1是线粒体自噬受体。Sandoval等首次证明Bnip3/Nix定位于线粒体，是线粒体自噬受体。Nix通过N端的LC3结合域招募自噬系统相关分子，介导线粒体与自噬体结合，达到自噬性清除线粒体的作用，从而维持细胞生存或介导细胞进入凋亡。网状细胞向成熟红细胞发育的过程中通过线粒体自噬清除全部线粒体。缺乏Bnip3L/Nix的小鼠外周血中，网状细胞中线粒体自噬受阻，但其他自噬仍然存在，红细胞的数量明显减少，并呈现出贫血的特征。FUNDC1位于线粒体外膜，是缺氧时介导线粒体自噬的特异性受体。FUNDC1并不参与饥饿诱导的自噬，在膜电位丢失诱导的线粒体自噬时也仅发挥部分作用，提示线粒体自噬是严格调控的特异性过程。正常情况下，FUNDC1被Src激酶磷酸化，缺氧时Src失活使去磷酸化FUNDC1增加，促进线粒体自噬的发生。与Nix作用机制类似，去磷酸化FUNDC1通过其LIR结构域与LC3结合，但 FUNDC1与 LC3的亲和力较Nix更强。此外，Bnip3/Nix可进一步介导线粒体途径的细胞凋亡，而FUNDC1并不影响细胞的存活状态。

Narendra等发现帕金森病致病基因Parkin和Pink1与线粒体自噬相关。在哺乳动物细胞线粒体膜电位下降时，Parkin可被选择性募集到线粒体，促进线粒体与自噬体的融合。Parkin的Lys27和Lys63均是泛素多聚化作用位点，Lys63突变使Parkin转位于线粒体和线粒体自噬性清除发生障碍。VDAC1可被Parkin泛素化从而影响mPTP开放及膜电位下降。p62是Parkin泛素化底物，在Parkin介导的线粒体自噬过程中发挥作用。Pink1同样参与此过程的调节，Pink1基因沉默或突变均可抑制Parkin的转位和线粒体自噬的发生。线粒体受损膜电位下降时，Pink1与Parkin的相互作用增强，从而促进线粒体发生选择性自噬。但Pink1在线粒体自噬时被激活及对Parkin进行调控的具体分子机制并不清楚。有研究发现Pink1与LC3-Ⅱ可相互作用，但Pink1-Parkin信号通路与自噬相关因子的研究并无确凿的体内外实验证据。此外，如前所述，Pink1-Parkin信号通路介导线粒体自噬伴随着线粒体形态的显著改变，可能是通过间接影响线粒体分裂蛋白Drp1所致。此外，Ziviani等发现 Parkin可直接泛素化线粒体融合蛋白 Mfn，敲低 Parkin或Pink1都会引起线粒体的延长，可部分解释线粒体自噬发生时常伴随线粒体分裂现象，Mfn的降解标志着这些线粒体不能再重新发生融合从而有效地进入自噬性清除程序。（图9-2）

细胞凋亡（apoptosis）是一种由基因调控的细胞自杀性死亡过程，在正常生理和病理生理过程中均可发生。线粒体在控制细胞凋亡过程中起信号中枢作用。线粒体可通过三个方面介导细胞凋亡：

线粒体在细胞凋亡过程中的重要作用，主要与线粒体含有多种凋亡相关蛋白有关，其中最重要的为细胞色素C（Cyt C）。凋亡启动后，Cyt C从线粒体膜间隙释放入胞质，与Apaf-1、caspase-9前体等蛋白形成凋亡小体（apoptosome），激活caspase-9及后续级联反应，使凋亡不可逆地发生。存在于线粒体膜间隙的其他凋亡相关蛋白还包括AIF（apoptosis-inducing factor）、smac/DIABLO等。这些蛋白可通过几种机制释放入细胞质。

线粒体通透性转换孔 （mitochondrial permeability transition pore，mPTP）位于线粒体内外膜连接处，为一种复合结构，其分子构成尚不明确，可能的构成成分为腺嘌呤核苷酸转移酶（adenine nucleotide translocase，ANT）、PiC（phosphate carrier）、OSCP（oligomycin sensitivity conferring protein of the FoF1 ATP synthase），以及调节分子亲环素 D（cyclophilin-D，Cyp-D），通过调节对钙的敏感性而开放。mPTP持续开放时，线粒体跨膜电位消失，耗氧量减少，并释放细胞色素C及smac/DIABLO凋亡因子，启动下游凋亡级联反应。

除mPTP开放使线粒体外膜通透性增加（mitochondrial out membrane permeability，MOMP）外，某些促凋亡因子如 Bax、Bak，可在线粒体膜形成20～300ps的单孔道，有时甚至可以达到1ns，使线粒体中促凋亡物质外漏到细胞质启动凋亡效应。

Bcl-2家族包括抑凋亡基因如 Bcl-2、Bcl-w、Bclxl以及促凋亡基因如 Bax、Bak、Bad和Bid等。Bax等主要通过单孔道的形成发挥促凋亡效应；Bclxl等主要通过封堵 mPTP或 Bax产生的单孔道而起到抑凋亡作用。

电子传递链组分被阻断，例如细胞色素C氧化酶复合物受损，可见于放射、神经酰胺等诱导的细胞凋亡。电子传递链受损可直接导致线粒体合成ATP降低。但凋亡过程的早期步骤需要ATP供能，因此ATP降低发生在凋亡较晚阶段。

线粒体是细胞内主要的活性氧（reactive oxygen species，ROS）产生部位。电子沿电子传递链传递时，约有5%电子漏出，形成超氧阴离子。任何阻断或抑制电子传递效率的物质，均可增加超氧阴离子的产生，导致氧化-还原（redox）状态改变及氧化应激发生，进而启动凋亡。然而，ROS的大量产生，也是凋亡过程的晚期事件。