線粒體動力學(xué)異常與相關(guān)心血管疾病

宋元秀 崔鳴

(北京大學(xué)第三醫(yī)院心血管內(nèi)科，北京 100191)

線粒體是氧化磷酸化的主要場所，為細(xì)胞的各種生理活動提供能量。心臟是人體內(nèi)最大的耗能器官，是具有高能量需求的組織。線粒體作為能量產(chǎn)生的主要場所，可占心肌細(xì)胞總體積的30%[1]。因此保持線粒體正常功能和完整性，對維持心肌的組織結(jié)構(gòu)和生理功能至關(guān)重要。線粒體是一個不斷進(jìn)行分裂和融合的動態(tài)半自主細(xì)胞器，其形態(tài)和功能變化十分復(fù)雜，受多種蛋白和分子機(jī)制的調(diào)控。其中，由線粒體動力學(xué)控制線粒體的分裂、融合及二者之間的動態(tài)轉(zhuǎn)換，決定線粒體形態(tài)、質(zhì)量和豐度[2]。現(xiàn)有研究表明，線粒體動力學(xué)異常與擴(kuò)張型心肌病(dilated cardiomyopathy，DCM)、缺血再灌注損傷(ischemia-reperfusion injury，IRI)、膿毒性心肌病(septic-induced cardiomyopathy，SIC)、糖尿病心肌病和動脈粥樣硬化(atherosclerosis，AS)等心血管疾病密切相關(guān)，且維持線粒體動力學(xué)平衡，有望成為治療相關(guān)心血管疾病的新靶點[3]。因此，了解線粒體動力學(xué)異常與心血管疾病之間的關(guān)系極其必要。本文將對線粒體分裂和融合的機(jī)制及其失衡對相關(guān)心血管疾病的影響進(jìn)行綜述。

1 線粒體的融合和分裂

1.1 線粒體的融合

線粒體融合是將兩個相鄰的線粒體融合成為一個新的線粒體，以實現(xiàn)線粒體DNA(mtDNA)、蛋白質(zhì)和代謝產(chǎn)物的共享，進(jìn)行線粒體的修復(fù)，該過程對維持線粒體自身的遺傳特性和生理功能至關(guān)重要。在哺乳動物細(xì)胞中介導(dǎo)線粒體融合的蛋白主要為線粒體融合蛋白1(mitofusin 1，Mfn1)、Mfn2和視神經(jīng)萎縮蛋白1(optic atrophy 1，OPA1)。其中，Mfn1和Mfn2位于線粒體外膜(outer mitochondrial membrane，OMM)上，具有相似的結(jié)構(gòu)和功能，由N端GTP酶結(jié)構(gòu)域、C端的跨膜結(jié)構(gòu)域和2個深入細(xì)胞質(zhì)中的7肽重復(fù)結(jié)構(gòu)域構(gòu)成。OPA1位于線粒體內(nèi)膜(inner mitochondrial membrane，IMM)和線粒體膜間隙，由N端的線粒體靶序列、螺旋結(jié)構(gòu)域、GTP酶區(qū)、中間區(qū)及C端GTP酶效應(yīng)區(qū)構(gòu)成，其具有多種亞型，參與IMM融合和線粒體嵴結(jié)構(gòu)的維持。

線粒體融合過程主要分為OMM融合和IMM融合兩個步驟。首先，相鄰的OMM上的Mfn1和Mfn2通過形成同二聚體或異二聚體介導(dǎo)OMM的融合，外膜融合完成后，OPA1介導(dǎo)IMM融合，最后線粒體基質(zhì)融合形成新的線粒體(見圖1a)。整個線粒體融合過程是高度協(xié)調(diào)的，需外膜和內(nèi)膜均正常融合，任何一個過程受阻都會導(dǎo)致線粒體融合發(fā)生障礙，引起形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能的異常[1]。

1.2 線粒體的分裂

線粒體分裂是細(xì)胞產(chǎn)生新線粒體的另外一種方式。線粒體分裂可使線粒體基質(zhì)和線粒體DNA重新不均勻地分配到兩個線粒體中，其中一個為膜電位、遺傳信息以及功能正常的線粒體，用于后續(xù)融合分裂及生物學(xué)效應(yīng)；另一個為膜電位低且功能不全的線粒體，并經(jīng)自噬途徑降解[4]。由此可見，線粒體分裂對清除受損線粒體和線粒體正常功能的維持至關(guān)重要。

在哺乳動物細(xì)胞中，介導(dǎo)線粒體分裂的蛋白主要包括線粒體動力相關(guān)蛋白1(dynamin-related protein 1，Drp1)、線粒體分裂蛋白1(fission protein 1，F(xiàn)is1)、線粒體裂變因子(mitochondrial fission factor，Mff)、線粒體動態(tài)蛋白(mitochondrial dynamics proteins，MiD)49和MiD51。Drp1由N端GTP酶結(jié)構(gòu)域、中央結(jié)構(gòu)域和C端GTP酶效應(yīng)器結(jié)構(gòu)域組成，主要位于細(xì)胞質(zhì)中。在分裂過程中，位于OMM上的Fis1、Mff、MiD49和MiD51將細(xì)胞質(zhì)中的Drp1招募至OMM分裂位點，形成圍繞線粒體的環(huán)狀多聚體，并在GTP水解作用下逐漸收縮，最終導(dǎo)致線粒體分裂[5](見圖1b)。

2 線粒體動力學(xué)與相關(guān)心血管疾病

2.1 線粒體動力學(xué)異常與DCM

DCM是導(dǎo)致充血性心力衰竭的重要原因，然而DCM的發(fā)病機(jī)制尚不清楚。

a 線粒體融合的調(diào)節(jié) b 線粒體分裂的調(diào)節(jié)圖1 線粒體融合和分裂的調(diào)節(jié)

有研究表明Drp1在DCM患者的心臟中表達(dá)明顯升高[6]，動物研究也發(fā)現(xiàn)在DCM小鼠心肌細(xì)胞中線粒體分裂過度，線粒體明顯紊亂破碎[7]。由此可看出線粒體動力學(xué)失衡是DCM的特征之一。最新的研究表明，線粒體分裂基因發(fā)生改變是DCM發(fā)病的潛在誘因之一。Ashrafian等[8]利用乙基亞硝基脲誘導(dǎo)小鼠Drp1雜合突變導(dǎo)致線粒體分裂受阻，線粒體長度增加，能量代謝障礙，最終引起DCM，誘發(fā)心力衰竭。Song等[9]發(fā)現(xiàn)，成年小鼠敲除Drp1后，心肌細(xì)胞線粒體變得更大更細(xì)長，心肌出現(xiàn)替代性纖維化和心肌細(xì)胞死亡，并出現(xiàn)心室壁變薄、心室擴(kuò)張以及左心室舒張末期與心室壁的比率(r/h)增加等DCM表現(xiàn)，小鼠壽命明顯縮短。此外，Chen等[10]的研究發(fā)現(xiàn)，Mff基因缺陷小鼠心肌出現(xiàn)嚴(yán)重的間質(zhì)纖維化，凋亡增加，線粒體密度下降，線粒體呼吸鏈功能不足，最終心臟壁變薄、心腔擴(kuò)大，出現(xiàn)明顯DCM表現(xiàn)。另有研究表明在阿霉素(DOX)誘導(dǎo)的小鼠DCM模型中，利用環(huán)孢素A或midivi-1抑制線粒體分裂，可恢復(fù)線粒體膜電位，改善心臟的收縮功能[11-12]。以上研究提示維持線粒體動力平衡可成為DCM治療的新方向。

此外，除Drp1和Mff功能缺失可引起DCM，敲除Mfn1和Mfn2也會引起心臟功能缺陷[13]。然而，當(dāng)Mff缺陷合并Mfn2缺陷卻可延長小鼠壽命，合并Mfn1缺陷則可完全挽救Mff缺失引起的DCM。除此之外，同時敲除Mfn1、Mfn2和Drp1的小鼠比單獨敲除Drp1及Mfn1/Mfn2的壽命都長[10]。這些研究表明，線粒體分裂-融合之間的不平衡比兩個過程同時受損的危害性更大，這也說明線粒體動力的平衡對維持線粒體的正常形態(tài)和功能至關(guān)重要。

2.2 線粒體動力學(xué)異常與IRI

急性心肌梗死是全球死亡和致殘的主要原因之一。進(jìn)行及時有效的心肌再灌注如溶栓和經(jīng)皮冠脈介入術(shù)等對限制心肌梗死患者梗死面積和減輕急性心肌缺血性損傷至關(guān)重要。然而，心肌再灌注的過程本身可進(jìn)一步引起心肌細(xì)胞死亡，即IRI。在發(fā)生IRI時，線粒體是主要的靶細(xì)胞器?，F(xiàn)有研究認(rèn)為，IRI損傷中的心臟功能障礙與線粒體動力學(xué)失衡密切相關(guān)。

大量研究表明線粒體過度分裂參與心肌IRI的進(jìn)展。Brady等[14]首先利用HL-1細(xì)胞發(fā)現(xiàn)缺血再灌注(ischemia reperfusion，IR)后線粒體發(fā)生明顯斷裂；類似其他研究也證實，動物IRI模型中出現(xiàn)線粒體片段化增多的現(xiàn)象[15]，提示線粒體動力學(xué)改變可能在IRI過程中發(fā)揮著重要的作用。研究表明無論是體內(nèi)還是體外模型，利用mdivi-1抑制Drp1均會增加心肌細(xì)胞中線粒體延長的比例，延遲線粒體膜通透性轉(zhuǎn)換孔開放，減少急性IRI誘發(fā)的活性氧(reactive oxygen species，ROS)升高和細(xì)胞死亡，減小心肌梗死面積[16]；Disatnik等[17]發(fā)現(xiàn)，在IRI時使用Drp1抑制劑P110，可降低ROS水平和凋亡水平，減小大鼠心肌梗死面積，防止心肌梗死后不良的左心室重塑。以上研究表明通過抑制線粒體分裂可降低氧化應(yīng)激水平和線粒體膜通透性轉(zhuǎn)換孔的開放，從而減輕線粒體功能障礙和減小心肌梗死面積，達(dá)到改善心功能的作用。此外，鈣超載是IRI導(dǎo)致線粒體片段化的重要因素之一。Din等[18]研究發(fā)現(xiàn)，在IR模型中，鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶家族成員Pim1的過表達(dá)可通過抑制Drp1易位至線粒體，從而減少線粒體分裂；在Langendorff模型中抑制Drp1第637位絲氨酸去磷酸化可保持線粒體形態(tài)和胞質(zhì)Ca2+水平，減少細(xì)胞死亡，發(fā)揮心臟保護(hù)作用[19]。由此可見，通過調(diào)節(jié)Ca2+及相關(guān)蛋白抑制線粒體分裂均可在IRI過程中發(fā)揮心臟保護(hù)作用。

眾多研究表明線粒體融合減少或缺失是IRI期間心肌損傷加重的重要事件。Chen和Cheng等[6，20]發(fā)現(xiàn)在缺血缺氧環(huán)境下H9C2細(xì)胞中Mfn1、Mfn2和OPA1的表達(dá)量下降，線粒體融合減少，線粒體片段化，且用針對OPA1的短發(fā)夾RNA(shRNA)進(jìn)一步阻斷OPA1表達(dá)可加劇線粒體片段化，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡水平增加，加重心肌損傷。另外，研究顯示內(nèi)源性心肌保護(hù)分子Notch1(notch receptor 1)可改善IRI的心肌細(xì)胞活力和線粒體片段化，減小心肌梗死面積并抑制心室重塑，在保護(hù)心肌中發(fā)揮作用，然而敲除Mfn1可使這種保護(hù)作用消失[21]。由此可見阻斷線粒體融合可減弱甚至抵消其他藥物的心肌保護(hù)作用。那么，在IRI中促進(jìn)線粒體融合可能是保護(hù)心肌的另一新策略。研究發(fā)現(xiàn)，無論在預(yù)處理、局部缺血還是在再灌注開始時，給予線粒體融合增強(qiáng)劑M1促進(jìn)線粒體融合，均可減小大鼠心肌梗死面積[22]。另有學(xué)者觀察到中藥天麻素可通過改善Mfn2、OPA1和Fis1的水平，且在不影響Drp1水平的情況下改善線粒體碎片化，維持線粒體正常功能，降低凋亡水平，減輕心肌損傷[20]。由此可見，在IRI過程中通過干預(yù)線粒體分裂和融合，維持線粒體動力學(xué)的穩(wěn)定，減少心肌的進(jìn)一步損傷，可成為急性心肌梗死治療的新方向。

然而也有研究表明，雖然Mfn1和Mfn2均可促進(jìn)線粒體融合，但在小鼠心肌IRI過程中，Mfn2的缺失對心臟有一定保護(hù)作用，這與Mfn1在IRI中的作用相反，可能與Mfn2具有的分裂效應(yīng)有關(guān)[23]?？梢娋€粒體融合與IRI之間的相互作用機(jī)制還需進(jìn)一步探討。

2.3 線粒體動力學(xué)異常與SIC

SIC是由膿毒癥引起的繼發(fā)性心肌損傷，當(dāng)膿毒癥合并心肌損傷時，病死率明顯升高[24]，然而目前SIC缺乏特異性治療。

研究表明，由膿毒癥產(chǎn)生的ROS、活性氮和炎性因子過度累積導(dǎo)致的線粒體功能障礙在SIC的發(fā)展中起至關(guān)重要的作用。而持續(xù)高水平的ROS和活性氮可使線粒體膜結(jié)構(gòu)破壞，致使線粒體碎片化引起線粒體動力平衡打破，大量碎片化的線粒體堆積于心肌細(xì)胞內(nèi)，線粒體膜結(jié)構(gòu)被破壞，線粒體膜電位降低，線粒體呼吸鏈?zhǔn)軗p，進(jìn)一步導(dǎo)致ROS和活性氮水平增加，形成惡性循環(huán)，最終促進(jìn)心肌細(xì)胞凋亡，引起心肌損傷，致使左心室功能降低，甚至心力衰竭[25-27]。由此可見，線粒體分裂過度激活在SIC的進(jìn)展中起重要作用。

現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，線粒體動力對SIC的調(diào)控涉及眾多信號通路。在小鼠的SIC模型中抑制RhoA/ROCK途徑可降低Drp1磷酸化，從而使線粒體長度正?；⒏纳菩募」δ躘28]。同時，有研究提示通過抑制JNK-LATS2途徑可降低Drp1表達(dá)并恢復(fù)OPA1和Mfn2表達(dá)，改善心肌細(xì)胞中ATP含量和線粒體碎片化，從而改善心肌功能[29]。此外，在SIC中抑制Drp1與Fis1的相互作用可抑制線粒體分裂和片段化，維護(hù)心肌功能，降低SIC死亡率[30]。因此，在SIC中抑制線粒體分裂，恢復(fù)線粒體分裂-融合平衡可在一定程度上維持線粒體功能，有利于心肌細(xì)胞的存活。

2.4 線粒體動力學(xué)異常與其他心血管病

糖尿病心肌病是糖尿病患者并發(fā)的心臟損害，是造成死亡的主要并發(fā)癥之一。研究表明線粒體動力學(xué)與糖尿病心肌病中心肌細(xì)胞代謝障礙存在緊密聯(lián)系，在糖尿病心肌病中線粒體片段化明顯，線粒體分裂增加和線粒體融合缺乏現(xiàn)象較為常見。Makino等[31]發(fā)現(xiàn)，在糖尿病小鼠心臟的冠狀動脈內(nèi)皮細(xì)胞中的線粒體斷裂明顯，且與OPA1水平降低和Drp1水平升高有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)胰島素治療可通過提高OPA1的表達(dá)，促進(jìn)線粒體融合，增強(qiáng)氧化磷酸化的能力。而在缺乏OPA1和Mfn2的細(xì)胞中，胰島素治療對線粒體代謝的影響減弱[1]。與之相反，Drp1的表達(dá)增加可引起胰島素抵抗。然而線粒體裂變增加或融合減少如何在糖尿病心肌病中引起心臟功能障礙尚不明確。研究發(fā)現(xiàn)褪黑素可通過降低Drp1的表達(dá)預(yù)防糖尿病小鼠的線粒體裂變，并減輕心臟功能障礙，但Drp1抑制劑mdivi-1的治療并未影響糖尿病動物的血糖和體重，僅減弱線粒體裂變[32]。由此可見，雖然在糖尿病心肌病中，線粒體動力學(xué)的改變可影響線粒體功能，但抑制線粒體裂變或促進(jìn)線粒體融合能否有效預(yù)防糖尿病引起的心臟功能障礙仍需進(jìn)一步研究。

有證據(jù)證明線粒體動力學(xué)在AS進(jìn)展過程中起重要作用。內(nèi)皮功能障礙是AS的標(biāo)志之一，研究發(fā)現(xiàn)Mfn2的過表達(dá)能減小兔的AS病變面積并抑制大鼠損傷動脈中的新內(nèi)膜形成[33]。血管功能減退的糖尿病患者的內(nèi)皮細(xì)胞顯示，F(xiàn)is1表達(dá)增加和線粒體片段化，而這些表型可通過抑制Fis1或Drp1的表達(dá)而得以恢復(fù)[34]。另外，抑制Drp1可減輕載脂蛋白E基因敲除糖尿病小鼠的內(nèi)皮功能障礙并減弱氧化應(yīng)激介導(dǎo)的平滑肌細(xì)胞鈣化[35-36]。除此之外，血管平滑肌細(xì)胞向內(nèi)膜遷移，在AS斑塊形成過程中起重要作用。抑制Drp1和Mfn2的過表達(dá)可顯著降低頸動脈球囊損傷模型中血管平滑肌細(xì)胞的增殖、遷移和血管新生內(nèi)膜的形成[37]，從而減少斑塊的形成?？傊?，這些數(shù)據(jù)表明抑制裂變或刺激融合可為減緩AS進(jìn)展提供新策略。

此外，線粒體動力學(xué)異常還可導(dǎo)致一些遺傳性疾病，主要為神經(jīng)系統(tǒng)疾病。例如OPA1突變會導(dǎo)致神經(jīng)萎縮，Mfn2突變會導(dǎo)致2A型腓骨肌萎縮癥等。但目前對人遺傳性心肌病與線粒體動力學(xué)的關(guān)聯(lián)還知之甚少。

3 總結(jié)與展望

線粒體在能量代謝中處于核心地位，尤其在高能量需求的心肌細(xì)胞中至關(guān)重要。線粒體動力學(xué)控制的線粒體分裂-融合的動態(tài)平衡，是維持線粒體形態(tài)、數(shù)量、分布正常以及保持線粒體功能完整的基礎(chǔ)。在哺乳動物細(xì)胞中，主要由Mfn1/2和OPA1控制線粒體融合；由Drp1、Fis1、Mff和MiD49/51等控制線粒體分裂。線粒體分裂或融合的單獨缺失都可導(dǎo)致心臟功能異常，而分裂和融合的同時缺失反而會減輕單獨缺失時的心肌損傷，說明分裂與融合之間的微妙平衡比單獨的分裂或融合過程更為重要。在DCM、IRI、SIC、糖尿病心肌病和AS中，都發(fā)現(xiàn)了線粒體分裂過度、線粒體融合減少的現(xiàn)象，且通過siRNA干擾、使用分裂抑制劑和融合促進(jìn)劑等方式恢復(fù)線粒體動力平衡可起到一定的心臟保護(hù)作用。抑制線粒體分裂，促進(jìn)線粒體融合，維持和保證線粒體動力學(xué)平衡，有望成為心血管疾病治療的新靶點。然而現(xiàn)階段始終無法在人體內(nèi)直接觀察線粒體的分裂和融合，研究其分子機(jī)制成為研究線粒體動力學(xué)的難點。此外，在基礎(chǔ)實驗中使用的線粒體動力學(xué)調(diào)節(jié)劑是否可用于相關(guān)心血管疾病的治療，發(fā)揮心臟保護(hù)作用，仍需大量臨床研究進(jìn)行驗證，這將成為未來心肌保護(hù)研究的新方向。