線粒體DNA與動(dòng)脈粥樣硬化的研究進(jìn)展

楊建英綜述，沈麗娟審校（祥云縣人民醫(yī)院心臟內(nèi)科，云南大理672100）

心臟是哺乳動(dòng)物中線粒體分布最密集的器官。線粒體是維持心臟正常泵血功能的關(guān)鍵細(xì)胞結(jié)構(gòu)[1]。線粒體功能異?？蓪?dǎo)致多種心血管疾病，包括心律失常、高血壓、心力衰竭（HF）、動(dòng)脈粥樣硬化（AS）等[2-3]。受損線粒體代謝的特點(diǎn)是心肌肥厚和HF病理改變[4]。在先天性心臟病患者中，右心室mtDNA缺乏可使心肌細(xì)胞合成腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）減少，導(dǎo)致肥厚的心肌細(xì)胞功能進(jìn)一步惡化，最終演變?yōu)镠F[5]。此外，mtDNA缺乏引起的線粒體生物合成功能障礙是導(dǎo)致心肌細(xì)胞內(nèi)鉀、鈣離子濃度失衡的重要原因，可導(dǎo)致心臟內(nèi)異常的傳導(dǎo)，增加折返性心律失常發(fā)生的概率[6]。

隨著早期生活方式的干預(yù)及預(yù)防性藥物的使用，AS引起的冠心病、腦卒中等得到了有效控制，但目前仍是威脅人類健康的主要原因。AS發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，包括脂質(zhì)代謝異常、炎癥、內(nèi)皮損傷和氧化應(yīng)激等[7-8]。2002年，BALLINGER等[9]在AS形成早期發(fā)現(xiàn)了受損的mtDNA，并通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)線粒體功能障礙與粥樣斑塊穩(wěn)定性相關(guān)，但其分子機(jī)制尚不清楚。然而，隨著近年來對(duì)該機(jī)制研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)存在血管壁和循環(huán)中損傷的mtDNA可通過脂質(zhì)代謝、炎癥等對(duì)AS產(chǎn)生影響[10]。本文就近年來線粒體mtDNA與AS形成的研究結(jié)果進(jìn)行總結(jié)闡述。

1 mtDNA功能障礙的主要原因

線粒體損傷包括mtDNA的損傷及線粒體膜的損傷，相較而言，mtDNA損傷與心血管疾病關(guān)系更為密切[11]。引起mtDNA損傷的一般原因包括年齡、吸煙、胰島素抵抗、血脂異常等[12-14]。其共同的主要機(jī)制是上述外源性刺激因素使體內(nèi)產(chǎn)生的活性氧簇（ROS）過多。ROS被認(rèn)為是導(dǎo)致線粒體功能異常及mtDNA突變的關(guān)鍵因素[15]。線粒體內(nèi)電子傳遞鏈（ETC）在利用氧生成ATP的同時(shí)，漏出的多余電子能夠引起少部分氧分子還原而產(chǎn)生ROS。正常情況下，ROS可被抗氧化酶類、維生素E等抗氧化劑降解。但在持續(xù)外源性刺激下，線粒體代謝過度活躍產(chǎn)生ROS速度遠(yuǎn)大于ROS被降解的速度。ROS異常累積能夠抑制mtDNA編碼蛋白的合成，并且影響mtDNA的轉(zhuǎn)錄與翻譯，使mtDNA發(fā)生基因突變，最終導(dǎo)致細(xì)胞代謝異常、細(xì)胞凋亡[16]。BERLO等[17]認(rèn)為，充分理解mtDNA、ROS及心臟細(xì)胞凋亡之間的關(guān)系，是建立mtDNA引起心血管疾病分子機(jī)制的關(guān)鍵。

2 mtDNA異常引起AS的機(jī)制

AS是一種以脂質(zhì)累積，血管平滑肌細(xì)胞增生，細(xì)胞凋亡和局部炎癥為特征的慢性炎癥性疾病[18]。線粒體是細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生ATP的重要細(xì)胞器，通常被認(rèn)為是生物體內(nèi)供能的主要結(jié)構(gòu)。研究報(bào)道指出，線粒體同時(shí)還是細(xì)胞新陳代謝、凋亡、炎癥等過程的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。mtDNA異常對(duì)上述過程的影響可直接或間接地促進(jìn)AS 的發(fā)生、發(fā)展[9]。

2.1 mtDNA對(duì)脂質(zhì)代謝的影響 大量流行病學(xué)資料及基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)表明，脂質(zhì)代謝異常是AS重要的危險(xiǎn)因素，脂質(zhì)在局部組織和血液循環(huán)中的轉(zhuǎn)運(yùn)異常，是導(dǎo)致低密度脂蛋白膽固醇（LDL-C）沉積于血管內(nèi)膜并形成AS早期脂質(zhì)條紋斑塊病變的主要原因之一[19]。最新研究表明，在同一組織內(nèi)的線粒體可聯(lián)合內(nèi)質(zhì)網(wǎng)參與體內(nèi)脂質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)[20]。在不同器官中的線粒體可通過激素介導(dǎo)的信號(hào)通路影響脂質(zhì)代謝[21]。KIM等[22]也發(fā)現(xiàn)，人類和小鼠中mtDNA變異導(dǎo)致線粒體功能缺陷的肌纖維能夠釋放成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子（FGF21），促進(jìn)脂肪動(dòng)員，使脂肪組織中的游離脂肪酸釋放入血。而且，mtDNA突變小鼠可表現(xiàn)出體重減輕和皮下脂肪減少[23]。事實(shí)上，mtDNA突變雖然能使脂肪組織降解，但是血清中游離脂肪酸和膽固醇水平卻明顯增高。此機(jī)制類似于載脂蛋白E基因敲除的小鼠，表現(xiàn)出一種低脂肪組織含量但卻患有高膽固醇血癥的特點(diǎn)，并因此能夠增加AS發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)[24]。此外，當(dāng)線粒體功能障礙時(shí)可導(dǎo)致能量代謝產(chǎn)物腺嘌呤核糖核苷酸（AMP）/ATP比值增高而激活A(yù)MP依賴的蛋白激酶（AMPK），該物質(zhì)具有多重生物學(xué)效應(yīng)，能夠抑制糖原異生和脂肪的形成，使體內(nèi)循環(huán)中的游離脂肪酸增多而導(dǎo)致心血管疾病發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)升高[25]。

2.2 mtDNA促進(jìn)血管內(nèi)皮炎性反應(yīng) 沉積于血管內(nèi)膜的LDL-C可被氧化修飾形成低密度脂蛋白膽固醇（oxLDL-C），可誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞吞噬脂質(zhì)和釋放炎癥因子，由此觸發(fā)以血管內(nèi)皮損傷為結(jié)果的炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)。目前，普遍認(rèn)為動(dòng)脈內(nèi)膜的炎性反應(yīng)是造成AS發(fā)生、發(fā)展的關(guān)鍵性機(jī)制[26]。mtDNA功能障礙可通過炎性反應(yīng)參與AS的進(jìn)展過程。mtDNA缺乏會(huì)引起線粒體結(jié)構(gòu)和功能障礙，可使細(xì)胞表型發(fā)生改變，能夠促進(jìn)炎性細(xì)胞聚集，導(dǎo)致粥樣斑塊向易損型斑塊發(fā)展[24]。研究報(bào)道顯示，mtDNA引起血管內(nèi)皮炎性反應(yīng)加重的主要機(jī)制包括兩方面：（1）mtDNA可參與調(diào)節(jié)Nod樣受體蛋白3（NLRP3）炎性小體的活化[27]；（2）mtDNA 可作為損傷相關(guān)分子模式（DAMPs）中的一員參與 toll樣受體（TLR9）相關(guān)的免疫炎性反應(yīng)[28]。

NLRP3炎性小體是指NLRP3/凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白（ASC）/半胱氨酸蛋白酶-1（caspase-1）蛋白復(fù)合體，其生理狀態(tài)下的促炎反應(yīng)是機(jī)體的保護(hù)性機(jī)制，因此維持NLRP3炎性小體活化的穩(wěn)態(tài)對(duì)治療與預(yù)防炎癥相關(guān)性疾病有重要的意義[29]。但在病理?xiàng)l件下，NLRP3炎性小體被各種因素過度激活，可進(jìn)一步將白細(xì)胞介素-1β（IL-1β）前體進(jìn)行剪切為成熟的 IL-1β，IL-1β 激活釋放后引起機(jī)體炎性反應(yīng)。IL-1β目前被認(rèn)為是血管內(nèi)皮損傷過程中的一個(gè)重要促炎因子，其能夠放大AS中的炎性反應(yīng)[30]。而且，mtDNA缺失引起的線粒體生理功能喪失，可通過鈣離子流紊亂、ROS累積及煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）等介質(zhì)活化NLRP3炎性小體[31-33]，最終導(dǎo)致惡性循環(huán)。

TLR9是TLR家族中的一員，廣泛分布于抗原提呈細(xì)胞中，主要通過Toll/TIR-MyD88-NF-κB信號(hào)通路誘導(dǎo)免疫炎性反應(yīng)。在AS進(jìn)展過程中，TLR9可促進(jìn)T細(xì)胞識(shí)別樹突狀細(xì)胞和巨噬細(xì)胞提呈的抗原，激活炎癥細(xì)胞釋放大量炎癥因子[34]。另外，來源于免疫細(xì)胞損傷或壞死時(shí)釋放的內(nèi)源性因子DAMP，可與TLR結(jié)合從而激活免疫炎性反應(yīng)[35]。最近研究還發(fā)現(xiàn)，mtDNA中富含具有免疫刺激作用的非甲基化胞嘧啶-鳥嘌呤核苷酸（CpG），可作為DAMP中的一員，通過上述途徑激活血管內(nèi)皮中的炎性反應(yīng)，從而促進(jìn)AS的發(fā)生、發(fā)展[28]。

2.3 mtDNA與線粒體自噬 幾乎所有的真核細(xì)胞都依賴于自噬維持生理機(jī)制的平衡。線粒體自噬是指一個(gè)專門針對(duì)線粒體的自噬反應(yīng)，被認(rèn)為是最主要的選擇性自噬類型[36]。與一般自噬的作用相類似，線粒體自噬主要是自主清除受損、多余、衰老及凋亡的線粒體。LEMASTERS等[37]在早期的實(shí)驗(yàn)研究中觀察到，線粒體自噬能夠清除由衰老引起的mtDNA突變，但在心血管疾病動(dòng)物模型中，線粒體自噬功能存在缺陷，這可能是導(dǎo)致多種心血管疾病的原因。此外，在藥物或基因抑制線粒體自噬的動(dòng)物中也觀察到心血管疾病的預(yù)后較差[38]。

mtDNA損傷不僅能促進(jìn)炎性反應(yīng)，還可調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡。眾所周知，血管內(nèi)皮細(xì)胞凋亡是促進(jìn)粥樣斑塊發(fā)展的重要因素[24]。而mtDNA損傷可通過選擇性誘發(fā)血管內(nèi)皮細(xì)胞凋亡促進(jìn)粥樣斑塊向易損型斑塊轉(zhuǎn)變[39]。研究發(fā)現(xiàn)，線粒體自噬可抑制內(nèi)源性的凋亡來抵抗粥樣斑塊進(jìn)展。ZHANG等[40]也發(fā)現(xiàn)，mtDNA能與多肽LL-37形成復(fù)合物，該物質(zhì)能夠幫助損傷的mtDNA逃避線粒體自噬，是促進(jìn)AS疾病發(fā)病的主要原因。因此，線粒體自噬可抵抗由mtDNA損傷導(dǎo)致的多重生物學(xué)效應(yīng)，在維持線粒體正常結(jié)構(gòu)和功能中起到重要作用。

3 小 結(jié)

線粒體是產(chǎn)生的ATP的重要細(xì)胞結(jié)構(gòu)，mtDNA對(duì)于維持線粒體正常功能起到了重要作用。mtDNA損傷不僅可引起人體多種相關(guān)代謝性疾病，同時(shí)也是心血管疾病發(fā)生、發(fā)展的重要因素。目前，自噬功能在心血管疾病治療研究中有值得期待的應(yīng)用前景，而細(xì)胞的自噬功能也依賴于mtDNA的正常運(yùn)作[41]。在AS發(fā)生、發(fā)展過程中，mtDNA與脂質(zhì)代謝、炎癥、細(xì)胞凋亡、自噬等所構(gòu)建的生理機(jī)制網(wǎng)絡(luò)體系仍然需要進(jìn)一步研究明確，尤其是線粒體自噬與mtDNA相互作用的機(jī)制或可成為未來治療AS的新靶點(diǎn)。