旦增諾揚綜述,格日力審校

(1.青海省高原醫(yī)學應用基礎重點實驗室;2.青海大學附屬醫(yī)院;青海西寧,810001)

線粒體是細胞的代謝能量發(fā)電站,主要功能是通過三羧酸循環(huán)(TCA)和氧化磷酸化參與ATP合成,可謂機體的“發(fā)動機”。線粒體可以對一系列刺激作出反應,低氧作為眾多刺激因素中的一種,可以影響線粒體能量的產生及機體氧化還原穩(wěn)態(tài)。目前,對高原適應人群線粒體的研究初步揭示了線粒體在低氧適應中所扮演的角色,但其具體機制尚未闡明。本文就線粒體在低氧適應過程中發(fā)生的改變及其分子機制進行綜述。

1 線粒體研究現(xiàn)狀

線粒體作為宿主細胞的重要組成部分,對其結構和功能的研究趨熱,越來越多的研究者認識到線粒體除產生能量外,在多種功能的發(fā)揮中也起到了作用,如在鈣離子穩(wěn)態(tài)的實現(xiàn)[1,2]、自由基的生成[3]、細胞周期的調節(jié)、凋亡的調控[4]、信號的轉導[5,6]以及內質網的應激反應[7]等一系列代謝過程中起重要作用。根據代謝的需要,不同細胞類型的線粒體在數量和功能上存在差異[8]。

2 線粒體與低氧

線粒體在低氧狀態(tài)下對機體內在調節(jié)起著關鍵作用,低氧通過刺激轉錄調節(jié)因子來增加碳水化合物代謝及增強線粒體呼吸能力等方式提高線粒體能量生產效率。低氧主要通過線粒體耗氧量、線粒體代謝模式及線粒體數量三方面來影響其功能。

2.1 低氧條件下線粒體耗氧量的改變

目前有研究表明,低氧條件下細胞能夠主動重新分配氧氣,并通過產生內源性ETC抑制劑(如NO)來調節(jié)HIF信號[9],進一步抑制依賴HIF的線粒體呼吸鏈復合體來降低線粒體的總耗氧量。其機制如下：

NO是一種由Ca2+依賴性內皮NO合酶(eNOS)、神經元NOS(nNOS)和誘導NOS(iNOS)產生的自由基、細胞旁信號分子[10,11]。NO作為線粒體電子傳遞鏈上復合體Ⅳ(即細胞色素C氧化酶)的競爭性抑制劑[12,13],競爭性抑制細胞色素C氧化酶,從而減少線粒體呼吸鏈耗氧量。另外有研究顯示,NOS亞型(eNOS,iNOS)通過HIF介導的機制被上調[14],有利于NO的合成。

琥珀酸脫氫酶(succinate dehydrogenase,SDH)是三羧酸循環(huán)和有氧呼吸的功能性成分,它能使琥珀酸在氧化為延胡索酸過程中產生的FADH2與酶結合,從而傳遞電子。在低氧條件下,HIF-1的高表達抑制了SDH亞基B(SDHB),因此也抑制了復合體Ⅱ的電子傳遞功能,減少其耗氧量[15]。同時,琥珀酸作為HIF調節(jié)器脯氨酸羥化酶(prolyl hydroxylase domain,PHD)的競爭性抑制劑[16,17],在復合體Ⅱ受到抑制后大量堆積[18],抑制了PHD對HIF的降解作用,進一步將HIF維持在高水平。HIF和SDH通過正反饋模式相互作用減少線粒體的耗氧量。

2.2 低氧條件下線粒體代謝模式的改變

低氧條件下線粒體代謝途徑的改變仍然依賴于HIF,HIF介導的PDK1和LDHA的轉錄能夠限制乙酰輔酶A進入TCA循環(huán),而促進丙酮酸向乳酸的轉化[19]。從有氧代謝轉為無氧代謝,其機制如下：

丙酮酸脫氫酶(pyruvatedehydrogenase,PDH)是一種多亞基酶,通過不可逆反應將丙酮酸轉化為乙酰輔酶A,從而將碳引導至TCA循環(huán)中。PDH很大程度上控制了厭氧代謝。丙酮酸脫氫酶激酶(Pyruvate

dehydrogenase kinase,PDK)通過調節(jié)PDH

E1亞基的磷酸化來抑制PDH[20],阻止碳進入TCA,從而迫使碳從葡萄糖流向乳酸。PDK由四個同工型組成,這些同工型在PDH上的三個磷酸化位點上表現(xiàn)出不同的活性[21]。低氧顯著誘導了PDK1[22],因此在低氧條件下,PDK1表達增加導致PDH抑制,減少了氧化代謝的底物的可用性[23],從而將線粒體代謝模式從有氧代謝轉為無氧代謝。

乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase,LDH)是一種糖酵解酶,主要作用是催化丙酮酸和乳酸的相互轉化[24]。大多數組織同時表達LDH A(肌肉)和LDH

B(心臟)的同工型。A和B同工型之間的主要區(qū)別是A同工型優(yōu)先催化丙酮酸向乳酸的轉化,而B同工型優(yōu)先催化逆反應[25]。編碼LDHA的基因在其啟動子序列中具有結合HIF-1的缺氧反應元件,并通過HIF-1介導的LDHA表達上調來響應缺氧[26]。LDHA的上調導致丙酮酸向乳酸轉化,而非轉換成乙酰CoA來為TCA提供底物,從而將線粒體代謝模式從有氧代謝轉為無氧代謝。

2.3 低氧條件下線粒體數量的改變

在低氧條件下觀察到線粒體數量的變化速度比上述兩個方面慢得多。線粒體數量的變化是線粒體生物發(fā)生和線粒體自噬的總和,兩者都受到氧的調節(jié)。對低氧條件下線粒體數量的變化認識尚未統(tǒng)一,仍存在爭議,有待進一步研究。

有研究報道稱,當HIF-1升高時,HIF-1介導的C-MYC轉錄因子的表達和活性降低,使線粒體的生物發(fā)生減少,導致PPARγ共激活因子1β(PGC-1β)表達減少,進而致生物發(fā)生減少[27],這與低氧模型結果一致,低氧模型中HIF-1的上調刺激導致細胞呼吸減少[28]。同時,也有研究指出低氧可以通過PPARγ共激活因子 1α(PGC-1α)、核呼吸因子-1和線粒體轉錄因子A刺激線粒體生物發(fā)生,導致不同類型細胞中線粒體數量的增加[29],使線粒體功能增強。

另一個改變線粒體數量的因素是線粒體自噬,這是蛋白質和細胞器降解的過程,可同時對缺氧和營養(yǎng)缺乏作出應答[30-32]。有研究顯示,線粒體自噬反應是低氧反應的一種依賴HIF-1的適應性代謝反應,可減少O2消耗和ROS生成,從而防止細胞死亡[33]。低氧誘導線粒體自噬的機制涉及凋亡相關蛋白BNIP3(Bcl-2

/腺病毒E1B 19kDa相互作用蛋白3)[34,35],以及Bcl-2和Bcl-2相互作用蛋白Beclin-1?？偠灾?HIF-1通過介導線粒體生物發(fā)生減少(或增加)和線粒體自噬增加,影響細胞線粒體數量的改變,進而影響耗氧量和氧的利用率。

3 線粒體與高原低氧適應

在高原,隨著海拔的升高、大氣壓的下降,高海拔地區(qū)的氧濃度相對于海平面會降低,從而形成天然的低氧環(huán)境。對于高原低氧的不適應,會產生各種各樣的急、慢性高原疾病,嚴重不適者甚至會產生高原肺水腫、腦水腫。因此低氧適應對世居高原、移居高原以及到高原旅游的人群都極為重要。線粒體作為機體的能量工廠,在低氧適應中扮演的角色至關重要。

3.1 骨骼肌線粒體與高原低氧適應

近年來,夏爾巴人對缺氧的出色耐受性一直是科學界特別是生理學家關注的焦點,其中針對夏爾巴人表現(xiàn)出的超強肌肉活力,學者們從代謝水平做了多項研究。世居高原的夏爾巴人骨骼肌線粒體的密度雖然下降了[36],但他們的肌肉以某種方式最大化了耗氧量與線粒體體積的比例[37],其具體機制尚不完全清楚。當前的研究顯示,相對平原對照組,夏爾巴人心肌和骨骼肌偏向以葡萄糖為代謝底物而非脂肪酸[38],雖然脂肪酸氧化能力低但其氧化磷酸化耦聯(lián)率高[37]。?；鈮A和氧化應激標記物水平也降低[37],提示它們在夏爾巴人低氧適應中起到保護作用。從高原返回平原的人的心肌PCr/ATP比率顯著下降[39],但在夏爾巴人的心肌和骨骼肌中,這一比率保持穩(wěn)定[40]。綜上所述,夏爾巴人通過選擇碳水化合物為代謝底物加強能量產生、提高糖酵解途徑關鍵酶活性,來增加產能、穩(wěn)定PCr/ATP比率,來增加能量儲備,以及通過避免氧化應激等方面維持出色的低氧耐受能力。

3.2 胎盤線粒體與高原低氧適應

胎盤作為代謝旺盛的器官,低氧可刺激其產生氧化應激反應,通過影響胎盤線粒體功能降低胎盤效率,最終導致胎兒生長受限。研究高海拔妊娠婦女的胎盤發(fā)現(xiàn),胎盤可通過降低自身代謝耗氧在一定閾值范圍內優(yōu)先保護胎兒生長發(fā)育。當前關于這方面的機制研究包括低氧影響microRNA-210及其靶基因等。microRNA-210與胎盤和胎兒發(fā)育相關,在線粒體內,它通過阻止電子傳輸鏈復合物中鐵硫簇的組裝來抑制呼吸,用microRNA-210轉染滋養(yǎng)層細胞也發(fā)現(xiàn)其減少了呼吸和耗氧量[41],但相應地ROS生成也減少,這一機制起到了雙向調節(jié)作用[42-44]。此外,在高海拔地區(qū)的慢性缺氧胎盤可能會從氧化磷酸化反應轉變?yōu)楦蕾囉趨捬跆墙徒獾姆磻獊頋M足其ATP需求,這可能會增加胎兒的氧供應,但會使胎兒的葡萄糖供應受到影響[41,45]。在對體外培養(yǎng)的小鼠滋養(yǎng)細胞研究中發(fā)現(xiàn),低氧降低了細胞色素氧化酶c的水平[46]。在動物研究中提示,小鼠低氧妊娠晚期,胎盤采用減少自身線粒體的生物合成及線粒體密度來減少胎盤自身耗氧量,使得胎兒的生長得到最好的支持,然而這種保護胎兒的機制存在一個低氧程度的閾值,在超過此閾值后,胎盤將不再以“犧牲”自己為代價來保護胎兒[47]。

就像前文所提到的肌肉代謝一樣,胎盤的這些代謝改變在適應人群中是否也是如此呢?有研究指出,歐洲白人和亞洲漢族婦女在高海拔處的出生體重下降[48-50];夏爾巴人和藏族人在高海拔處的出生體重正常[51,52]。這一發(fā)現(xiàn)提示胎盤在高原發(fā)生代謝改變可能取決于種族和/或在高海拔地區(qū)居住的時間,可見胎盤線粒體在低氧適應人群中、低氧環(huán)境下維持胎兒正常生長中的作用方式不同,其分子機制值得進一步探索。

3.3 其他組織線粒體與低氧適應

線粒體呼吸對于生長板軟骨細胞的生存是必不可少的。近期有研究指出,在極端低氧環(huán)境下,線粒體呼吸被HIF-1抑制,減少了生長板中軟骨細胞的凋亡[53]。心臟在慢性缺氧的適應性變化中,線粒體和NO參與心臟保護機制的建立,改善心臟對急性O2剝奪的耐受性,不僅減少了梗塞面積,而且減輕了缺血后的收縮功能障礙和室性心律失常[54]。缺氧還可通過刺激線粒體的生物發(fā)生產生腦保護作用[29]。

4 結語與展望

綜上所述,線粒體在許多低氧生理過程中發(fā)揮著極其重要的作用。在低氧條件下,細胞一方面通過刺激線粒體的生物發(fā)生使線粒體功能增強;另一方面也可以通過使線粒體ETS復合物減少、將代謝模式由有氧轉到無氧、減少線粒體的生物發(fā)生[42,55,56]致氧化呼吸減少。因此,在高原低氧適應中線粒體如何在這幾個方面進行平衡還有待進一步研究。

目前,對線粒體在低氧下的多重作用及變化研究有所增加,但在低氧適應中的研究仍然薄弱。未來,探索線粒體在低氧適應中發(fā)生改變的分子機制不僅能給低氧適應提供理論基礎,而且還能給眾多缺氧性代謝疾病提供新的治療靶點,為缺氧性疾病的治療提供新的見解。