PiC基因與人體疾病機(jī)制研究

郭金蓮　徐煒棉　盧均坤

摘 要：線粒體功能的改變，直接導(dǎo)致人體多種病變，影響線粒體功能的原因有很多種，其中線粒體磷酸轉(zhuǎn)載體（PiC）作為線粒體內(nèi)膜的膜蛋白，對線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔（MPTP）的開放起到至關(guān)重要的作用，因此通過不斷的研究與發(fā)現(xiàn)，PiC基因的表達(dá)與多種疾病的發(fā)生發(fā)展有關(guān)，現(xiàn)就PiC基因與人體疾病機(jī)制的研究進(jìn)展情況予以綜述。

關(guān)鍵詞：PiC；MPTP；線粒體

中圖分類號：R542.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2018.22.008

文章編號：1006-1959（2018）22-0023-03

Research Progress of PiC Gene and Human Disease Mechanism

GUO Jin-lian1，XU Wei-mian1，LU Jun-kun2

（1.Jiamusi University，Jiamusi 154000， Heilongjiang，China；

2.Department of Cardiology，Subject Two，the First Affiliated Hospital of Jiamusi University， Jiamusi 154000，Heilongjiang，China）

Abstract：Mitochondria function changes directly lead to a variety of diseases in the human body. There are many factors that affect Mitochondria function. Among them， the Mitochondria Phosphoric acid carrier vector （PiC） is the membrane protein of the Mitochondria intima. It plays a vital role in the opening of the Mitochondria permeability transition pore （MPTP）. So through constant research and discovery， PiC gene expression is related to the occurrence and development of various diseases. This paper summarizes the research progress of PiC gene and human disease mechanism.

Key words：PiC；MPTP；Mitochondria

線粒體是細(xì)胞物質(zhì)與能量代謝的重要場所，人體多種疾病的發(fā)生發(fā)展都與線粒體功能的改變密切相關(guān)。近年來，隨著分子生物技術(shù)進(jìn)展水平的不斷提高，線粒體磷酸轉(zhuǎn)載體（PiC）基因表達(dá)上調(diào)，線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔（MPTP）的持續(xù)開放與氧化應(yīng)激水平的關(guān)系，是導(dǎo)致呼吸衰竭、心肌病、心力衰竭等人體多種疾病的危險因素。

1 PiC基因與線粒體的關(guān)系

PiC功能首先是在其對SH-試劑的高度敏感性的基礎(chǔ)上確定的[1]。PiC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白同質(zhì)純化是從心臟、肝臟及酵母分離的。研究發(fā)現(xiàn)PiC是線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔的主要成分之一[2]，PiC可能是MPTP的組成中鈣誘導(dǎo)的孔道構(gòu)象改變的關(guān)鍵組成部分，Pi結(jié)合到PiC具有激活線粒體孔道開放的能力，這說明線粒體MPTP被Pi激活。研究對比發(fā)現(xiàn)Pi比砷酸鹽更能激活MPTP的開放，Pi更具有結(jié)合Ca的能力[3]，在缺乏PiC時Pi不能通過線粒體促進(jìn)Ca聚集，即使有少量的20%～30%PiC也足夠使MPTP開放。

由于線粒體需要維持其內(nèi)部環(huán)境的穩(wěn)態(tài)，所以內(nèi)部膜的離子和底物的流動需要保持能量及物質(zhì)平衡。在線粒體電子鏈傳遞中，由呼吸驅(qū)動質(zhì)子泵排出的質(zhì)子數(shù)量需要通過F1F0-ATP酶保持平衡。磷酸鹽通過PiC運(yùn)送到線粒體基質(zhì)中，磷酸鹽與OH-進(jìn)行交換，磷酸鹽的進(jìn)入和OH-的流出是沿著H+梯度進(jìn)行的，因此沒有凈電荷（電子）的產(chǎn)生[4]。Pi通過PiC轉(zhuǎn)運(yùn)影響pH梯度通過內(nèi)膜與H+有效的協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)，用于基本的氧化磷酸化。

2 PiC基因與MPTP的關(guān)系

人們早就知道Ca2+和氧化劑誘導(dǎo)下無機(jī)磷酸鹽對MPTP通道敏感，推測MPTP擁有Pi結(jié)合位點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，MPTP在缺乏PiC基因表達(dá)產(chǎn)物時表現(xiàn)為通透功能受限，在PiC與CyP-D、ANT重新組合后便可重新發(fā)揮MPTP的通透轉(zhuǎn)運(yùn)功能，這說明PiC才是線粒體MPTP的必要組成部分[5]。MPTP的分子機(jī)制目前尚不明確，關(guān)于MPTP孔的組成有兩種假設(shè)，親環(huán)蛋白D和ADP作為調(diào)節(jié)器，CypD可以增強(qiáng)MPTP Ca2+的敏感性[6]，通過基因敲除大鼠的研究發(fā)現(xiàn)PiC不是MPTP孔的必須構(gòu)成，但具有調(diào)節(jié)功能。也有研究發(fā)現(xiàn)[7] MPTP開放不依賴于線粒體Ca2+ 但與線粒體總的Ca2+負(fù)荷有關(guān)，Ca-Pi復(fù)合物的累積可能是轉(zhuǎn)換孔激活開關(guān)。

超過60%的線粒體蛋白質(zhì)包含乙?；稽c(diǎn)，大部分都參與其中能量代謝[8]，在線粒體上至少有一個抑制蛋白質(zhì)乙?；饔命c(diǎn)。因此，乙?；€粒體蛋白酶可以抑制線粒體代謝和ATP合成。在缺血再灌注的心肌細(xì)胞中，高鈣水平及過多活性氧誘導(dǎo)線粒體通透性增強(qiáng)，線粒體內(nèi)膜MPTP開放，盡管復(fù)雜的MPTP分子結(jié)構(gòu)還沒完全明確，但在缺少PiC的 MPTP傾向于開放狀態(tài)。

高水平的ROS在MPTP開放中起到重要作用[9]，MPTP的開放是多種事件引起的，包括心肌再灌注損傷在內(nèi)的各種形式的細(xì)胞和組織的損傷，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡及壞死。MPTP在心肌組織中抑制線粒體開放，可以減輕低氧狀態(tài)下的細(xì)胞死亡[10]。Leung AW等證明[11]，PiC是MPTP的必要的組成部分而不是ANT。此外，高濃度的鈣就能獨(dú)立引發(fā)PiC。這些數(shù)據(jù)可以解釋為什么在VDAC或ANT消融時預(yù)防m(xù)PTP的形成是失敗的，而在CypD缺陷線粒體，MPTP誘導(dǎo)需要更高水平的鈣，并不是完全被環(huán)孢素A治療所阻斷。

3 PiC基因與心臟病發(fā)生機(jī)制之間的關(guān)系

線粒體提供細(xì)胞能量的90%，是細(xì)胞內(nèi)ROS的主要來源，同時影響細(xì)胞凋亡的啟動與過程。研究表明，心肌細(xì)胞損傷及凋亡時，PiC基因表達(dá)上調(diào)[12]，最近的一項研究發(fā)現(xiàn)糖尿病患者心臟線粒體MPTP開放顯著增加[13]，同時，體內(nèi)研究顯示在糖尿病心肌梗死后心肌缺血的面積增加。有證據(jù)顯示[14] n-乙基馬來亞酰胺、輔酶Q10能抑制MPTP開放，也是PiC抑制劑，通過阻斷Pi吸收限制Ca2+對低于該水平攝取，降低MPTP開放閾值，但很難說MPTP抑制是由于降低Pi比Ca2+攝取發(fā)揮更大作用。

MPTP在病理狀態(tài)下的作用，以及藥物治療靶點(diǎn)在相關(guān)疾病的發(fā)生中，發(fā)揮重要生理作用。在心血管領(lǐng)域，心肌再灌注損傷中MPTP是研究的重點(diǎn)，MPTP是在缺氧時不同途徑共同靶點(diǎn)的始動因素。尤其是缺血再灌注后的細(xì)胞內(nèi)環(huán)境似乎最適合MPTP開放，特別是因?yàn)榘麅?nèi)Ca2+升高伴隨著ROS積累。另一方面，MPTP的開放導(dǎo)致離體內(nèi)皮細(xì)胞和血管平滑肌細(xì)胞死亡，表明MPTP在動脈粥樣硬化中發(fā)揮作用。

氧化磷酸化的缺陷經(jīng)常引發(fā)線粒體能量代謝紊亂，發(fā)生率約1/7600[15]。研究發(fā)現(xiàn)[16]來自同一家庭的兩個患者存在PiC缺陷，分別患有心臟疾病及肌肉疾病，第一個早期死于肥厚型心肌病心力衰竭，第二個早期出現(xiàn)肌張力減退、呼吸窘迫，最后也發(fā)展為肥厚型心肌病，因心力衰竭死亡。研究發(fā)現(xiàn)[17]，糖尿病患者心臟內(nèi)的miR-141過度表達(dá)與PiC蛋白含量的降低有關(guān)，而在糖尿病纖維間線粒體心臟只有ATP合酶活性降低。

4 PiC基因與Bcl-2家族蛋白的關(guān)系

Bcl-2是最早發(fā)現(xiàn)通過抑制細(xì)胞死亡促進(jìn)腫瘤擴(kuò)展的原癌基因[18]，不適當(dāng)?shù)募?xì)胞凋亡可以促進(jìn)癌癥和阻礙癌癥的治療。在動物模型中如心肌缺血及腦缺血，過表達(dá)Bcl-2抑制凋亡減少梗死面積[19]。研究表明[20]，Bcl-2家族蛋白在線粒體上主要通過改變線粒體內(nèi)膜的通透性及調(diào)節(jié)Ca2+濃度，阻止細(xì)胞色素C釋放，發(fā)揮調(diào)節(jié)MPTP孔道開放的作用。研究表明Bcl-2家族成員調(diào)控細(xì)胞凋亡，調(diào)節(jié)線粒體膜的滲透性和通過降低MPTP開放的易感性來保護(hù)心肌[21，22]。

在一些研究中顯示線粒體外膜的通透性提高，也可能由于急性內(nèi)膜去極化引發(fā)[22]，Ca2+超載降低ATP酶活性減少能量產(chǎn)生，Ca2+超載可以產(chǎn)生解耦合的過程，從以往研究看，線粒體內(nèi)膜的滲透率迅速增加，從而溶質(zhì)和ATP的生產(chǎn)停止[23]。研究發(fā)現(xiàn)Bcl-2蛋白家族通過直接與ATP酶結(jié)合調(diào)節(jié)線粒體外膜的通透性，抑制突觸的產(chǎn)生和細(xì)胞死亡[24]， Bcl-2蛋白家族形成蛋白復(fù)合體，調(diào)節(jié)MPTP和細(xì)胞死亡。例如ANT，在Bcl-2家族的促凋亡前蛋白一系列復(fù)雜的路徑中，由氧自由基途徑引起細(xì)胞死亡[25]。

在心肌缺血狀態(tài)下，隨著Bcl-2的消耗和功能抑制，對Ca敏感的MPTP在高鈣環(huán)境下開放增加，導(dǎo)致心臟損傷，因此，Bcl-2含量下降，在缺血再灌注早期細(xì)胞質(zhì)鈣正常化后受MPTP開放的影響線粒體受損[21]。Bcl-2家族也有非凋亡的作用，包括線粒體呼吸和線粒體分裂等[26]?？沟蛲龅鞍字饕植荚诰€粒體，與靜態(tài)相比在線粒體中抗凋亡蛋白和抑制前抗凋亡蛋白，觀察到Bcl-XL能改變從線粒體外膜到細(xì)胞質(zhì)中與線粒體相關(guān)的BAX。Bcl-2蛋白的定位可以通過上游因子進(jìn)行修飾，例如在人類胚胎干細(xì)胞中，BAX被限制在高爾基上，直到接受DNA損傷信號才釋放，BAX可以被Bcl-XL限制在細(xì)胞質(zhì)中。

5 總結(jié)

目前有關(guān)MPTP研究有限，針對PiC基因的研究更是寥寥無幾，而MPTP孔道的結(jié)構(gòu)與功能不僅與細(xì)胞凋亡有關(guān)，更與人體疾病的發(fā)生發(fā)展關(guān)系密切，因此對MPTP孔道的研究具有重要的科研及臨床價值。由此可見，作為線粒體MPTP孔道重要組成部分的PiC則具有關(guān)鍵性的作用，但基于目前對PiC基因及其表達(dá)產(chǎn)物了解過少，許多相關(guān)問題仍需解決，因此針對PiC基因及其表達(dá)產(chǎn)物與Bcl-2家族蛋白及線粒體MPTP孔道之間關(guān)系的研究有著重要的研究價值。

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收稿日期：2018-9-5；修回日期：2018-9-25

編輯/雷華