線粒體DNA與2型糖尿病關(guān)系的研究進展*

黃李晨露, 賀軍棟

1昆明理工大學醫(yī)學院(云南昆明 650093); 2云南省第一人民醫(yī)院內(nèi)分泌科(云南昆明 650034)

2型糖尿病(type 2 diabetes,T2D)是最常見的代謝性疾病之一[1],根據(jù)國際糖尿病聯(lián)合會的數(shù)據(jù),T2D約占所有糖尿病患者的90%,在2021年導致約670萬人死亡[2]。T2D的發(fā)生與線粒體功能障礙有關(guān)[3]。線粒體存在于大多數(shù)真核細胞中,參與多種細胞重要功能調(diào)節(jié),在細胞穩(wěn)態(tài)和信號傳導過程中發(fā)揮重要作用,如胰腺β細胞中葡萄糖刺激胰島素分泌也是線粒體功能的一種[4]。線粒體DNA(mitochondrial DNA,MtDNA)是一種線粒體自身的細胞器基因組[5],其改變可能是T2D的一種預警信號。本文重點總結(jié)了MtDNA與T2D之間的最新研究進展,特別關(guān)注了MtDNA拷貝數(shù)、異質(zhì)性和甲基化在T2D中的作用及機制。

1 MtDNA

人類MtDNA是一個封閉的、環(huán)狀的16 569 bp的分子。基于氯化銫梯度的密度差異,MtDNA包含兩條不同的鏈,稱作重鏈和輕鏈[6]。重鏈和輕鏈的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生長的全長轉(zhuǎn)錄物,這些轉(zhuǎn)錄物由核糖核酸酶處理以產(chǎn)生成熟的mRNA、tRNA和核糖體RNA[7],這些成熟的RNA對氧化磷酸化(oxidative phosphorylation,OXPHOS)系統(tǒng)至關(guān)重要[3]。相比于核DNA,MtDNA沒有內(nèi)含子,沒有組蛋白保護,沒有及時的DNA修復機制[8],從而導致T2D的發(fā)生[9]。

2 MtDNA拷貝數(shù)

每個細胞都具有數(shù)量龐大的MtDNA拷貝數(shù)(MtDNA copy number,MtDNAcn)。MtDNAcn是線粒體活性的重要指標,反映線粒體的生物發(fā)生和功能[9]。MtDNAcn水平影響與T2D相關(guān)的許多細胞途徑[10],MtDNAcn水平異?？蓪е翸tDNA氧化應(yīng)激升高和基因表達中斷[9],影響胰島β細胞功能導致T2D發(fā)生。MtDNAcn是胰島素敏感性的指標之一。T2D的MtDNAcn與血糖水平呈正相關(guān)[11]。研究發(fā)現(xiàn),T2D大鼠MtDNAcn水平明顯增加,進行6周的有氧運動后,T2D大鼠MtDNAcn水平和高密度脂蛋白出現(xiàn)一定的下降,T2D癥狀緩解[12]。

減重手術(shù)是治療T2D的一種方法,在減輕細胞免受氧化應(yīng)激和延緩生物衰老進程方面具有效果。T2D患者的MtDNAcn增加,減重手術(shù)后MtDNAcn顯著降低[13],發(fā)生微血管并發(fā)癥的風險比未接受手術(shù)的T2D患者低47%。減重手術(shù)還可以顯著降低T2D大鼠MtDNA損傷[14],在T2D并發(fā)癥中,減重手術(shù)也能夠改善T2D腎病患者腎功能損傷[13]。大部分接受減重手術(shù)的肥胖T2D 患者MtDNAcn基本可以下降到正常水平,T2D癥狀改善。減重手術(shù)改善T2D的重要原因之一可能是降低MtDNAcn,繼而降低線粒體生物功能損傷,因此MtDNAcn也被作為減重手術(shù)后的非侵入性生物標記物來進行評估[13]。端粒長度和MtDNAcn與T2D具有潛在關(guān)聯(lián),T2D患者在減重手術(shù)6個月和12個月后,端粒長度顯著增加,MtDNAcn水平顯著降低,體重和脂肪量減少[15],T2D癥狀減弱;T2D內(nèi)分泌代謝異常也是T細胞加速衰老的一個危險因素,T2D患者在接受減重手術(shù)后端粒長度與MtDNAcn水平的變化使T細胞分化減少延緩衰老[16]。只進行8周運動的T2D患者中也出現(xiàn)端粒長度增加與MtDNAcn水平降低。減重手術(shù)對T2D發(fā)揮作用的機制可從端粒長度和MtDNAcn水平的變化來進行研究。

3 MtDNA異質(zhì)性

線粒體損傷造成的T2D是一種遺傳性的胰島素分泌不當、胰島素抵抗或二類缺陷聯(lián)合導致的慢性高血糖內(nèi)分泌疾病[17],這種線粒體疾病的治療對臨床醫(yī)生來說仍然是一個巨大的挑戰(zhàn),MtDNA的缺失、插入或點異質(zhì)性都與其有關(guān)[18]。野生型和突變型MtDNA的混合物在同一細胞內(nèi)共存,稱為MtDNA異質(zhì)性,氧化應(yīng)激、復制錯誤和細胞衰老等會引起大量體細胞MtDNA異質(zhì)性,當異質(zhì)性線粒體DNA的百分比超過一定閾值(60%～70%)時,細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)機制可能被破壞,導致線粒體功能障礙、細胞萎縮和死亡[19]。MtDNA異質(zhì)性與T2D的發(fā)生發(fā)展顯著相關(guān),多種MtDNA遺傳異質(zhì)性是造成患者患T2D的原因之一,異質(zhì)性也是T2D藥物不良反應(yīng)個體差異的重要原因[20]。T16189C是線粒體上常見的MtDNA異質(zhì)性,在多種疾病中均有發(fā)現(xiàn)[21]。在東亞人群(中國、日本和韓國)和白種人中即發(fā)現(xiàn)T16189C異質(zhì)性與T2D顯著相關(guān),但是在非洲人群中沒有發(fā)現(xiàn)其與T2D的相關(guān)性[21]。

3.1 線粒體tRNA異質(zhì)性 線粒體tRNAs(Mitochondrial-tRNAs,Mt-tRNAs)在線粒體蛋白質(zhì)合成以及維持呼吸鏈功能中起著核心作用,疾病相關(guān)的MtDNA異質(zhì)性中有一半以上位于Mt-tRNA基因中。越來越多的T2D相關(guān)MtDNA異質(zhì)性已被確定,如tRNALeu(UUR)、tRNAGln和tRNALys的一些異質(zhì)性可能導致T2D家族遺傳[3]。

tRNAAlaT5587C是Mt-tRNAs異質(zhì)性的一種,在T2D進展中發(fā)揮“絕對致病性”。T5587C擾亂了tRNAAla氨基?；?導致tRNAAla代謝異常,線粒體翻譯損傷,OXPHOS復合物的組裝和活性被擾亂,ATP生成和線粒體膜電位減少,活性氧(reactive oxygen species,ROS)的生成增加,最終導致T2D的發(fā)生。在一個母系遺傳T2D家系MtDNA中,該家系攜帶T5587C,該異質(zhì)性不僅導致此家系三代人患有T2D,而且第三代成員比第二代成員的T2D發(fā)病年齡更早,證明T5587C在T2D發(fā)病中發(fā)揮重要作用[3]。

m.A5514G異質(zhì)性位于Mt-tRNATrp的受體臂,會導致tRNATrp的A3G轉(zhuǎn)變,引起核糖核酸酶P的誤讀和識別,對tRNA代謝產(chǎn)生功能性影響。m.A5514G異質(zhì)性會破壞tRNA的二級結(jié)構(gòu),導致代謝異常,例如降低tRNA穩(wěn)態(tài)水平、氨基酰化能力和影響3′端加工等,可能損害線粒體蛋白質(zhì)翻譯,導致線粒體功能障礙,胰腺β細胞凋亡或壞死,發(fā)生T2D[22]。m.A5514G異質(zhì)性可能導致T2D在家族中遺傳,并增加T2D治療的難度。但研究也具有局限性,因為樣本量相對較小。

tRNALeu(UUR)A3243G是第一個確定的T2D致病MtDNA異質(zhì)性,也是全世界最常見的T2D相關(guān)致病異質(zhì)性,大多數(shù)情況下,T2D線粒體異常都與位于mt-tRNALeu(UUR)的MT-TL1(OMIM 590050)基因中的m.A3243G異質(zhì)性有關(guān)[23],該異質(zhì)性的各種表型差異很大,從輕微到嚴重的T2D臨床表型不等[24]。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)19個具有m.A3243G異質(zhì)性的T2D家系的患病率在18.4%～55.5%之間[25]。在含有m.A3243G異質(zhì)性的cybrid細胞中,觀察到tRNALeu(UUR)的穩(wěn)態(tài)水平以及氨基?；芰档图s75%[24],導致了線粒體氧化應(yīng)激和蛋白質(zhì)合成速率降低。一些中國漢族T2D遺傳家系人群發(fā)現(xiàn)攜帶m.A3243G異質(zhì)性,細胞出現(xiàn)ATP生成減少,ROS生成增加,損傷線粒體功能,導致家族中T2D的發(fā)生和發(fā)展。值得注意的是,同時包含m.A3243G和m.T14502C異質(zhì)性的家系的T2D患病率(40%)高于僅攜帶m.A3243G異質(zhì)性的家系(27.2%)。研究發(fā)現(xiàn),同時攜帶m.A3243G和m.T14502C異質(zhì)性的患者比僅攜帶m.A3243G異質(zhì)性的患者表現(xiàn)出更嚴重胰島素抵抗,ATP水平更低,這表明攜帶m.T14502C異質(zhì)性可能會增加m.A3243G誘導的T2D的嚴重程度[26]。

Mt-tRNAThrm.15897G>A異質(zhì)性是在中國T2D家系中篩查到的一類MtDNA異質(zhì)性,影響該tRNA第10位的編碼。這種異質(zhì)性導致tRNAThr更快降解,從而降低tRNA的有效水平,使OXPHOS復合物組裝不完全,鏈活性受損導致線粒體膜電位受損影響細胞活性,線粒體氧化應(yīng)激增加影響ATP合成,ROS過量產(chǎn)生導致線粒體活性缺陷影響線粒體蛋白質(zhì)生成。攜帶m.15897G>A異質(zhì)性的細胞中ATP減少了約26.63%,線粒體膜電位降低了約35.96%以及線粒體蛋白質(zhì)水平降低了約28.29%,T2D的發(fā)生率明顯增加。因此,Mt-tRNAThrm.15897G>A異質(zhì)性可能可以作為遺傳T2D風險的候選生物標志物[25]。

tRNAMetA4435G異質(zhì)性是一類Mt-tRNA異質(zhì)性,該異質(zhì)性使細胞中ATP水平、氨基?；屎途€粒體蛋白質(zhì)合成速率下降、ROS水平增加,可能導致T2D的發(fā)生[26];tRNAlysA8343G異質(zhì)性發(fā)生在Mt-tRNA非常保守的位置,可致線粒體膜電位和ATP生成減少,ROS水平增加,MtDNAcn水平下降,Mt-tRNA代謝異常[27];tRNAAlam.5587A>G異質(zhì)性可能影響Mt-tRNA結(jié)構(gòu),改變氨基酸翻譯效率,破壞蛋白質(zhì)合成,導致線粒體氧化磷酸化功能中斷[28];tRNAtrpT-stem m.5558A>G和m.5595G>A可能會影響Mt-tRNA的結(jié)構(gòu)和功能,導致代謝異常[28];tRNAIlem.1555A>G異質(zhì)性會導致線粒體功能障礙,m.4317A>G異質(zhì)性會加重m.1555A>G異質(zhì)性造成的線粒體損傷[28];tRNASer(AGY)m.C12237T異質(zhì)性可能影響Mt-tRNA二級結(jié)構(gòu)導致代謝異常,線粒體功能損傷,T2D發(fā)生[22];tRNAThrG15927A異質(zhì)性位于反密碼子莖部,在不同物種中極為保守,可能是與T2D冠心病相關(guān)的致病異質(zhì)性[29]。

ND1 T4216C和ND2 C5178A異質(zhì)性是從中國漢族T2D家系的遺傳篩查中找到的MtDNA異質(zhì)性,m.T4216C異質(zhì)性發(fā)生在編碼電子傳遞鏈復合物Ⅰ關(guān)鍵成員的ND1基因上,將304位的保守胸腺嘧啶變?yōu)榘奏?可能導致ND1 mRNA代謝異常;ND2 C5178A異質(zhì)性導致氨基酸237處的亮氨酸替換為蛋氨酸,是一種與疾病相關(guān)的致病異質(zhì)性[30]。研究發(fā)現(xiàn),此家系的中性粒細胞DNA損害標志物8-羥基-2′-脫氧鳥苷水平和氧化應(yīng)激顯著升高,ATP水平降低40%,說明線粒體功能受損,線粒體膜電位降低,導致細胞凋亡,ROS水平增加50%,細胞氧化損傷。因此m.T4216C和m.C5178A異質(zhì)性可能會導致ND1和ND2 mRNA代謝異常,MtDNA損傷,線粒體復合物Ⅰ和復合物Ⅱ缺乏使呼吸鏈受損,胰腺β細胞功能損傷,促進T2D的發(fā)展[30]。

MtDNA ND4L中的T10609C異質(zhì)性在攜帶原發(fā)異質(zhì)性A3243G的T2D中發(fā)現(xiàn),同時T10609C變異也存在于12.4%的漢族抽樣人群中。T10609C異質(zhì)性擾亂ND4L-ND6亞單位中的第四條質(zhì)子易位路徑,影響線粒體呼吸復合物Ⅰ中的質(zhì)子易位。這種變化導致Glu34和Tyr157之間形成氫鍵,從而限制水分子的通過。因此T0609C異質(zhì)性:增加了缺氧條件下的ROS生成,并傳達了對高海拔紅細胞增多癥的易感性;導致呼吸復合物Ⅰ蛋白結(jié)構(gòu)異常,線粒體的呼吸鏈受損,呼吸鏈中復雜蛋白質(zhì)的超極化或功能障礙導致ROS增加;影響線粒體中產(chǎn)生的ATP濃度,在缺乏ATP的胰腺β細胞中,胰島素分泌受到抑制,導致T2D[31]。

3.2 其他Mt DNA異質(zhì)性 線粒體NADH脫氫酶6(NADH dehydrogenase 6,ND6)是MtDNA編碼的一種蛋白質(zhì)[30],在復合物Ⅰ的正確組裝中起著關(guān)鍵作用,是復合物Ⅰ的關(guān)鍵組成部分。編碼ND6的MtDNA的異質(zhì)性導致嚴重的線粒體功能障礙和線粒體遺傳疾病,且被發(fā)現(xiàn)參與T2D代謝紊亂的發(fā)展[32]。MtDNA異質(zhì)性對T2D患者的影響見表1。

表1 MtDNA異質(zhì)性對T2D患者的影響

4 MtDNA甲基化

核DNA甲基化調(diào)節(jié)核DNA編碼的線粒體基因轉(zhuǎn)錄,與T2D相關(guān)。在T2D患者外周血白細胞中發(fā)現(xiàn)MtDNA ND6表達降低與高甲基化相關(guān),ND6甲基化水平也與T2D患者臨床嚴重程度呈正相關(guān)。在db/db小鼠的MtDNA甲基組圖中觀察到胰島素抵抗,肝臟中MtDNA甲基化頻率升高,尤其是在ND6基因編碼的區(qū)域。在T2D患者和小鼠中,ND6的L-鏈特異性高甲基化是一種獨特的表觀遺傳學事件,它與ND6轉(zhuǎn)錄水平降低和OXPHOS功能受損密切相關(guān)。因此,升高的ND6甲基化可能是一個有前景的生物標志物,對T2D具有預測和診斷價值[32]。

5 展望

T2D是一種復雜的內(nèi)分泌系統(tǒng)疾病,了解MtDNA的知識對于這種復雜疾病的探究和預測有一定的幫助。MtDNAcn水平現(xiàn)已作為T2D風險因素之一;MtDNA異質(zhì)性使家族T2D發(fā)病率升高,深入研究這些異質(zhì)性對T2D防治可能有積極作用;MtDNA甲基化水平可以作為一種有前景的T2D生物標志物。基于上述研究進展,MtDNA是T2D研究中一個非常有前景的方向,我們期待將來開展更多深入全面的研究。

利益相關(guān)聲明:所有作者均聲明不存在競爭或個人利益沖突。

作者貢獻說明:黃李晨露進行了文獻查找、整理,論文起草。賀軍棟進行了論文修改與指導,課題負責人,經(jīng)費支持。