線粒體功能障礙與腎小球足細(xì)胞損傷的研究進(jìn)展

邢 燕，葉山東

（安徽省立醫(yī)院內(nèi)分泌科，安徽合肥230001）

線粒體功能障礙與腎小球足細(xì)胞損傷的研究進(jìn)展

邢 燕，葉山東＊

（安徽省立醫(yī)院內(nèi)分泌科，安徽合肥230001）

隨著2型糖尿病在全球的蔓延，糖尿病的防治工作已成為世界公共衛(wèi)生的巨大挑戰(zhàn)。據(jù)國(guó)際糖尿病聯(lián)盟預(yù)測(cè)，2030年全世界的糖尿病患病人數(shù)將達(dá)到5.52億［1］。隨著糖尿病群體的迅猛擴(kuò)增，糖尿病腎?。╠iabetic nephropathy，DN）的發(fā)生率也逐年增加，業(yè)已成為導(dǎo)致終末期腎病最常見的原因［2］。DN發(fā)病機(jī)制目前尚未明確，研究指出包括氧化應(yīng)激，線粒體功能障礙，糖脂毒性等能量代謝障礙均參與糖尿病腎臟損傷［3，4］。

1 線粒體結(jié)構(gòu)和功能

線粒體不僅是細(xì)胞氧化磷酸化的中心，也是細(xì)胞凋亡的調(diào)控中心。它是由內(nèi)外兩層膜封閉的囊狀結(jié)構(gòu)，包括外膜、內(nèi)膜、膜間隙和基質(zhì)四個(gè)功能區(qū)。內(nèi)膜上有質(zhì)子泵和氧化磷酸化電子傳遞鏈。ATP的合成在線粒體完成，并需要電子及質(zhì)子的傳遞伴隨。線粒體氧化呼吸鏈位于線粒體內(nèi)膜，有五種分子質(zhì)量很大的跨膜蛋白復(fù)合體組成，它們分別是復(fù)合體Ⅰ（NADH泛醌氧化還原酶）、復(fù)合體Ⅱ（琥珀酸泛醌氧化還原酶）、復(fù)合體Ⅲ（細(xì)胞色素C還原酶）、復(fù)合體Ⅳ（細(xì)胞色素C氧化酶）以及復(fù)合體Ⅴ（ATP合酶）。呼吸鏈同時(shí)還需要兩個(gè)小分子的電子載體：泛醌和細(xì)胞色素C，使電子按氧化還原電位從低到高傳遞，能量逐級(jí)釋放。線粒體基質(zhì)中的質(zhì)子泵入外室，導(dǎo)致線粒體內(nèi)外室電壓不平衡而形成跨膜電位，這對(duì)維持線粒體正常功能是十分必要的。正常生理?xiàng)l件下，線粒體透性轉(zhuǎn)換孔（mitochondrial permeability transition pore，MPTP）周期性開放，使外室的質(zhì)子或正離子進(jìn)入內(nèi)室，從而防止外室正離子過度蓄積［5］，維持線粒體的正常功能。

2 線粒體功能障礙與DN足細(xì)胞損傷

足細(xì)胞即臟層上皮細(xì)胞，它是一種終末分化細(xì)胞，分化成熟后不能再生，增殖再生能力極其有限，故其胞質(zhì)中需大量線粒體以提供能量維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能。它位于腎小球毛細(xì)血管壁的最外層，直接暴露于腎小球高壓及流體切應(yīng)力作用下，是血漿大分子從腎小球?yàn)V過的最后一道屏障。本課題組前期研究表明足細(xì)胞損傷與蛋白尿、腎小球硬化密切相關(guān)［6，7］。在有可能進(jìn)展至終末期腎衰竭的腎小球疾病中，足細(xì)胞是主要的受累靶點(diǎn)，而線粒體又是高糖攻擊足細(xì)胞的核心靶點(diǎn)，線粒體功能障礙可通過相應(yīng)的信號(hào)通路觸發(fā)足細(xì)胞損傷導(dǎo)致進(jìn)展性腎小球硬化［8］。研究證實(shí)線粒體功能障礙是足細(xì)胞損傷的早期事件［9］，糖尿病腎組織中線粒體的功能出現(xiàn)異常表現(xiàn)，主要表現(xiàn)為以下四個(gè)方面：

2.1 線粒體呼吸鏈氧化磷酸化功能障礙后ATP合成減少：正常腎臟功能的維持需要消耗大量的能量，腎組織內(nèi)富含線粒體，氧化磷酸化系統(tǒng)受損將導(dǎo)致線粒體功能紊亂［10］。線粒體功能障礙是導(dǎo)致糖尿病腎病的關(guān)鍵致病因子，也是影響足細(xì)胞氧化磷酸化和能量供應(yīng)的主要影響因素。糖尿病小鼠db／db出現(xiàn)線粒體解偶連，主要表現(xiàn)為腎小球?yàn)V過率增加，蛋白尿和線粒體分裂［11］。高糖培養(yǎng)足細(xì)胞的氧耗率明顯升高，復(fù)合體Ⅰ抑制劑魚藤酮可抑制上述病變［12］。足細(xì)胞喪失有絲分裂活性，需要大量能量供應(yīng)來(lái)維持包括肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架和細(xì)胞外基質(zhì)蛋白在內(nèi)的多種功能。線粒體產(chǎn)能對(duì)細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)和遷移十分重要，線粒體功能障礙時(shí)ATP產(chǎn)生減少會(huì)特異性地破壞肌動(dòng)蛋白和中間絲結(jié)構(gòu)，作用于細(xì)胞骨架而導(dǎo)致足細(xì)胞與基底膜分離［13］，導(dǎo)致足細(xì)胞密度顯著下降。線粒體解偶連蛋白2（uncoupling protein 2，UCP2）定位于線粒體內(nèi)膜，參與線粒體質(zhì)子漏和質(zhì)子運(yùn)輸，通過降低線粒體內(nèi)外膜的質(zhì)子電位差行使線粒體解偶聯(lián)的功能，影響線粒體呼吸鏈的功能和ATP的生成。已有研究證實(shí)部分中藥提取物可通過抑制UCP－2表達(dá)，保持體外培養(yǎng)足細(xì)胞蛋白podocin和WT－1的正常分布并減輕蛋白尿［14］。

2.2 線粒體氧化應(yīng)激：線粒體是細(xì)胞能量生成的重要細(xì)胞器，也是廣受關(guān)注的細(xì)胞調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激的中樞?；钚匝酰╮eactive oxygen species，ROS）主要包括自由基類：如超氧自由基（O2－），超氧化氫（·RO2），氫氧自由基（·OH）；非自由基類如過氧化氫和次氯酸。此外，線粒體呼吸鏈還生成活性氮簇，如一氧化氮自由基（·NO），二氧化氮自由基（·NO2），過氧亞硝酸鹽（ONOO－）等［15］。正常生理?xiàng)l件下體內(nèi)氧化系統(tǒng)與抗氧化系統(tǒng)呈動(dòng)態(tài)平衡，ROS是足細(xì)胞進(jìn)行正常代謝所必需的一種小分子，它們參與電子傳遞和細(xì)胞氧化呼吸代謝，并作為細(xì)胞內(nèi)氧化還原信使傳遞調(diào)控胞內(nèi)信號(hào)，但細(xì)胞內(nèi)過量ROS積累將導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)及功能損傷［16］。線粒體呼吸鏈被證實(shí)是細(xì)胞內(nèi)ROS產(chǎn)生的最主要來(lái)源，其中輔酶Q可將單個(gè)電子傳遞給氧分子而使其單價(jià)還原成ROS［17］。2001年Brownlee等［18］在Nature上提出了“糖尿病并發(fā)癥的統(tǒng)一理論”，將氧化應(yīng)激和糖尿病緊密聯(lián)系起來(lái)，該理論認(rèn)為線粒體呼吸鏈ROS產(chǎn)生過多是高糖導(dǎo)致組織損傷的啟動(dòng)因子。過多的氧自由基可激活多元醇途徑、終末糖基化產(chǎn)物途徑、蛋白激酶C途徑、己糖胺代謝等四條生化途徑，通過共同的通路－線粒體電子呼吸鏈進(jìn)一步誘導(dǎo)ROS積聚后導(dǎo)致細(xì)胞損傷及凋亡，形成不斷促進(jìn)自由基持續(xù)產(chǎn)生的正反饋控制系統(tǒng)，誘發(fā)組織細(xì)胞損傷的惡性循環(huán)。線粒體酶復(fù)合體活性受損時(shí)，將生成大量ROS導(dǎo)致廣泛的氧化損傷惡性循環(huán)，并進(jìn)一步減少ATP合成。在醛固酮誘導(dǎo)的足細(xì)胞損傷中，伴隨有ROS大量產(chǎn)生、線粒體超微結(jié)構(gòu)改變、線粒體膜電位下降、ATP合成減少等［19］表現(xiàn)。高水平的游離脂肪酸，尤其是飽和脂肪酸在線粒體基質(zhì)中積聚后導(dǎo)致線粒體ROS大量合成，直接誘導(dǎo)脂質(zhì)過氧化和線粒體功能損傷。伴隨著體內(nèi)抗氧化防御系統(tǒng)功能失調(diào)，游離脂肪酸轉(zhuǎn)運(yùn)和氧化受阻將直接破壞組足細(xì)胞裂孔隔膜結(jié)構(gòu)［20］。醛固酮和高糖可引起足細(xì)胞ROS生成增加，進(jìn)而激活下游絲裂原活化蛋白激酶（mitogen activated protein kinase，MAPK）等信號(hào)通路，導(dǎo)致足細(xì)胞足突消失［21］。研究證實(shí)ROS過量表達(dá)可導(dǎo)致肌動(dòng)蛋白降解損傷足細(xì)胞，增大裂孔隔膜間距，蛋白大量從腎臟漏出［22］。在DN動(dòng)物模型中證實(shí)體內(nèi)氧化應(yīng)激標(biāo)記物顯著升高，抗氧化劑可減輕足細(xì)胞足突的廣泛融合［23］，減輕足細(xì)胞損傷及蛋白尿。

2.3 線粒體與足細(xì)胞凋亡：凋亡有外源性途徑（死亡受體途徑）和內(nèi)源性途徑（線粒體途徑）之分。線粒體介導(dǎo)的凋亡表現(xiàn)為脂質(zhì)過氧化膜通透性改變，凋亡蛋白包括細(xì)胞色素C，凋亡蛋白酶激活因子、天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶（cysteine－containing aspartate－specific proteases，caspase），細(xì)胞凋亡誘導(dǎo)因子等從線粒體釋放到胞漿，隨之引起caspase瀑布式活化和細(xì)胞凋亡［24］。凋亡受一系列分子調(diào)控，其中Bcl－2家族起著決定性作用。細(xì)胞色素C從線粒體釋放到細(xì)胞質(zhì)是多種凋亡的共同表現(xiàn)，它可擾亂線粒體電子傳遞鏈，刺激ROS的堆積使MPTP持續(xù)開放，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡［25］。凋亡主要表現(xiàn)為染色質(zhì)固縮，DNA片段化以及caspase的活化，而這些病理表現(xiàn)多與DN有一定聯(lián)系，足細(xì)胞凋亡是導(dǎo)致足細(xì)胞數(shù)目下降的主要原因。線粒體在高糖刺激下，生成大量ROS，導(dǎo)致細(xì)胞色素C從線粒體膜間隙釋放，激活caspase－9和caspase－3，導(dǎo)致大量的足細(xì)胞凋。在與線粒體相關(guān)的足細(xì)胞凋亡過程中，活性氧發(fā)揮重要的信使作用。它作用于線粒體凋亡途徑中的各個(gè)環(huán)節(jié)。同時(shí)，線粒體凋亡中的信號(hào)分子反過來(lái)也影響ROS，使之互為因果。研究證實(shí)ROS可通過細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶活化而誘導(dǎo)足細(xì)胞凋亡［26］，高糖可通過NADPH氧化酶和線粒體旁路刺激ROS生成進(jìn)而活化促凋亡的P38MAPK和caspase－3使體外培養(yǎng)的足細(xì)胞凋亡［27］。ROS還可通過氧化線粒體心磷脂和線粒體重要的蛋白質(zhì)對(duì)線粒體造成氧化損傷，可使線粒體膜脂質(zhì)過氧化、膜流動(dòng)性降低、線粒體內(nèi)外膜蛋白過氧化，蛋白質(zhì)交鏈，造成MPTP開放，線粒體膜通透性升高，線粒體凋亡相關(guān)物質(zhì)釋放，引起細(xì)胞凋亡［28－29］。

2.4 線粒體DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）受損：mtDNA的重復(fù)、拷貝數(shù)下降、缺失及點(diǎn)突變均可造成線粒體病。mtDNA編碼的多肽全部是氧化磷酸化系統(tǒng)酶復(fù)合物的亞單位，mtDNA缺陷可使線粒體氧化磷酸化產(chǎn)能障礙，ATP合成減少，能量產(chǎn)生低于腎臟能量需求閾值。近年來(lái)表現(xiàn)為腎小球病變的線粒體細(xì)胞病越來(lái)越受到廣泛關(guān)注，線粒體細(xì)胞病腎臟病理除了表現(xiàn)為局灶性節(jié)段性腎小球硬化外，還表現(xiàn)為玻璃樣變小動(dòng)脈病變和足細(xì)胞足突損傷。電鏡下表現(xiàn)為胞體變小，假小囊形成，足突消失，雙核或多核足突。足突胞漿內(nèi)充斥大量的腫脹變形和極度異性的線粒體。因缺少組蛋白樣的覆蓋物并非?？拷鼉?nèi)膜，是細(xì)胞內(nèi)ROS的主要產(chǎn)生部位，線粒體又缺乏完善的修復(fù)體系，故mtDNA的突變率超過核DNA的10倍［30］。mtDNA缺失引起的線粒體功能紊亂參與足細(xì)胞生存和黏附活性減退，足細(xì)胞在受到損傷因素刺激后可導(dǎo)致ROS過量產(chǎn)生并累積，阻斷mtDNA的轉(zhuǎn)錄和復(fù)制，減少拷貝數(shù)，同時(shí)ROS會(huì)連續(xù)攻擊mtDNA熱點(diǎn)基因誘導(dǎo)突變，進(jìn)一步導(dǎo)致電子傳遞鏈缺陷使ROS不斷產(chǎn)生并損傷機(jī)體。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，線粒體功能障礙與足細(xì)胞損傷密切相關(guān)，參與糖尿病腎病的發(fā)生發(fā)展。后續(xù)研究應(yīng)詳細(xì)了解線粒體功能障礙導(dǎo)致足細(xì)胞損傷的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路傳導(dǎo)機(jī)制，從而為藥物治療DN，減輕蛋白尿和足細(xì)胞損傷提供一定的理論依據(jù)，為DN的防治提供更有效的手段。

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2013－08－22）

1007－4287（2014）10－1726－03

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