線粒體動力學異常在OSAHS靶器官損傷中的作用及機制研究進展

王美婷，王 蓓

(山西醫(yī)科大學第二醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學科，太原 030001)

線粒體是真核動物細胞具有雙層膜結構的細胞器，外膜有多種孔道蛋白和轉位酶，允許小分子和代謝物流入其內膜。線粒體內膜的特征性折疊，稱為嵴。嵴可突至線粒體基質，并容納電子傳遞鏈，嵴的通透性較低，限制了離子向線粒體基質的轉移[1]。線粒體內膜的通透性主要受線粒體膜滲透性轉換孔的調節(jié)，線粒體膜滲透性轉換孔異常開放可導致線粒體膜電位的下降，線粒體腫脹破裂，嵴結構破壞，進而導致線粒體功能障礙[2]。線粒體以氧化磷酸化形式產生ATP為細胞代謝提供能量，也是機體內活性氧類(reactive oxygen species，ROS)生成的主要來源，并在細胞凋亡、生長、衰老等過程中起關鍵作用，此外，線粒體還參與氨基酸、核苷酸等的中間代謝過程以及鈣穩(wěn)態(tài)的調節(jié)等[3]。多項研究發(fā)現，線粒體動力學紊亂參與多系統疾病的發(fā)生、發(fā)展[4-6]?，F就線粒體動力學紊亂與阻塞型睡眠呼吸暫停低通氣綜合征(obstructive sleep apnea hypopnea syndrome，OSAHS)的相關研究進展予以綜述。

1 線粒體動力學及其調控

1.1線粒體動力學平衡及生理意義 線粒體是高度動態(tài)的細胞器，沿細胞骨架軌道移動，并處于不斷的融合和分裂中，此動態(tài)平衡影響線粒體的形態(tài)、大小、分布和功能，稱為線粒體動力學[7]。線粒體融合使線粒體間連接增多，有利于線粒體之間的能量傳遞、信號交流和DNA互補，線粒體分裂則產生許多線粒體片段，有利于細胞器的分裂和遺傳，清除受損線粒體，從而發(fā)揮線粒體質量控制的作用[8]。線粒體融合和分裂對許多生理過程至關重要，如細胞分裂、細胞凋亡、線粒體自噬、代謝和生物能量學等[4]。

1.2線粒體分裂的調控 在高等哺乳動物中，線粒體分裂由發(fā)動蛋白相關蛋白1(dynamin-related protein 1，Drp1)介導。Drp1是一種GTP酶，線粒體分裂蛋白1(fission 1，Fis1)等線粒體外膜蛋白銜接子可將Drp1募集到線粒體外膜，形成水解GTP的螺旋狀結構，促進線粒體分裂。線粒體小管被內質網小管物理纏繞，由F-肌動蛋白介導的收縮力可收縮線粒體小管，為Drp1募集、組裝和裂變提供位點[9]。線粒體外膜蛋白銜接子包括Fis1、線粒體裂變因子和線粒體動力學蛋白49/51[10]。

Drp1包含N端GTP結合結構域、中間裝配結構域、短插入物和C端GTP酶效應結構域。DRP1活性可通過GTP酶效應結構域的翻譯后修飾來調節(jié)，如磷酸化、泛素化、類泛素化和S-亞硝基化，其中磷酸化是最常見最重要的翻譯后修飾，絲氨酸(serine，Ser)616和Ser637是兩個最重要的常見位點[11]。現已發(fā)現多種信號傳導途徑可調節(jié)DRP1的磷酸化，如cAMP依賴性蛋白激酶可抑制Ser637位點DRP1的磷酸化，從而抑制線粒體分裂[12]；鈣或鈣調磷酸酶可促進Ser637位點DRP1的去磷酸化，從而激活DRP1，促進線粒體分裂[13]。通過敲低類泛素化蛋白酶3提高Drp1的類泛素化，減少線粒體裂變因子對Drp1的募集，從而抑制線粒體分裂[14]。

1.3線粒體融合的調控 線粒體融合受發(fā)動蛋白超家族中線粒體融合蛋白(mitofusin，Mfn) 1、Mfn2和視神經萎縮蛋白1(optic atrophy 1，OPA1)3種 GTP酶的調節(jié)[1]。OPA1介導線粒體內膜融合和嵴重塑的連接，Mfn1和Mfn2介導線粒體外膜融合，兩者形成同源或異源復合體，介導線粒體之間的耦合，與線粒體分裂蛋白相似，融合蛋白的豐度和活性也可通過翻譯后修飾來改變。

OPA1在細胞質中合成，并在線粒體基質中通過差異剪接和金屬內肽酶水解加工形成長鏈線粒體內膜錨定OPA1和短鏈可溶性OPA1。長鏈OPA1似乎是線粒體融合所必需的物質，而短鏈OPA1可能在線粒體內膜裂變中發(fā)揮作用。應激條件下，金屬內肽酶活化導致長鏈OPA1完全轉化為短鏈OPA1，抑制線粒體融合，但新的OPA1合成可再次啟動線粒體融合[15]。

2 線粒體動力學紊亂與疾病

某些人類遺傳性疾病與線粒體動力學調控蛋白的活性缺陷有關，如Mfn2基因突變可導致軸突型腓骨肌萎縮癥(CMT2型)[16]，OPA1基因突變可導致痙攣性癱瘓和多發(fā)性硬化[17]。最近研究表明，線粒體過度分裂或融合減少均參與了許多后天性疾病的發(fā)生發(fā)展，如神經退行性疾病、心血管疾病、代謝性疾病及其相關腎損傷、惡性腫瘤等[4-6]。線粒體動力學異常導致的器官損傷與器官能量消耗的關系密切，線粒體過度融合或分裂均可降低線粒體能量的產生，引起細胞損傷和凋亡，導致疾病發(fā)生和發(fā)展[18]。多項研究證實，糖尿病患者腎小球或腎小管上皮細胞的線粒體發(fā)生片段化改變，并伴隨Drp1表達升高、Mfn1表達降低，導致線粒體功能障礙、線粒體膜電位降低、線粒體膜滲透性轉換孔開放增加、ROS產生增多、促凋亡因子滲漏增加，最終導致腎小管或腎小球細胞發(fā)生氧化損傷及凋亡。此外，糖尿病腎病患者的Drp1水平與蛋白尿、肌酐水平呈正相關，Mfn1水平與蛋白尿、肌酐水平呈負相關，可見，糖尿病腎病的病程進展中發(fā)生了線粒體動力學損傷，該損傷與患者病情嚴重程度密切相關，且糖尿病腎病的線粒體損傷可歸因于線粒體分裂[19-20]。

2.1線粒體分裂與細胞凋亡 線粒體過度分裂可導致線粒體斷裂，促進細胞凋亡。研究證實，適度的線粒體分裂有助于線粒體受損部位的去除，并可維持線粒體網絡穩(wěn)態(tài)[21]。多項研究表明，線粒體過度分裂引起的線粒體片段化可導致線粒體外膜通透性增加以及細胞色素C等凋亡觸發(fā)因子的釋放，從而激活胱天蛋白酶誘導的各種細胞的細胞凋亡[22]。過表達Drp1顯性失活突變體(Drp1K38A)可延遲細胞凋亡，研究發(fā)現，Drp1敲除小鼠具有抵抗細胞凋亡的能力，表明Drp1對細胞凋亡過程起關鍵作用[23]。另有研究發(fā)現，減少Fis1表達有利于線粒體融合，減少細胞凋亡[24]；Drp1與線粒體外膜受體蛋白線粒體動力學蛋白49/51結合是細胞色素C從線粒體釋放到細胞質的所必需過程[25]。但有研究認為，Drp1介導的線粒體分裂可抑制細胞凋亡[26]。在胚胎神經管形成過程中，Drp1敲除小鼠細胞內ATP水平正常，胱天蛋白酶3被激活，并可通過異常誘導細胞凋亡導致胚胎死亡[26]。敲除線粒體裂變因子Drp1可減少線粒體分裂，使人體內結腸癌細胞和膠質母細胞瘤細胞的凋亡增多[27]。

2.2線粒體融合與細胞凋亡 Mfn1、Mfn2及OPA1的抗細胞凋亡作用歸因于線粒體網絡及嵴的重塑，線粒體融合過少可導致線粒體片段化增多，促進細胞凋亡[28]。此外，研究結果表明，腎臟近端小管上皮細胞的Mfn2條件性敲除可導致線粒體融合減少，進而誘導線粒體片段化，導致腎臟近端小管上皮細胞對凋亡刺激的敏感性增加[29]。但線粒體過度融合也可能促進細胞凋亡。對骨肉瘤細胞的研究表明，Mfn1可顯著阻滯G1/G0期細胞，促進細胞凋亡，起到抗癌作用[30]。此外，Mfn1和Mfn2依賴性線粒體與內質網偶聯通過攝取鈣提高細胞對凋亡刺激的敏感性，條件性敲除Mfn1和Mfn2的小鼠心臟未發(fā)生急性心肌梗死，可能與線粒體/內質網偶聯受損有關[31]。總之，線粒體融合和分裂可在不同生理或病理條件下的不同細胞系中發(fā)揮不同的作用。

3 線粒體動力學紊亂與OSAHS靶器官損傷的相關性

OSAHS是最常見的睡眠呼吸障礙性疾病，一般人群OSAHS患病率較高，女性OSAHS患病率約為17%，而男性OSAHS患病率可高達22%[32]。隨著肥胖患者的不斷增多，OSAHS的患病率有升高的趨勢。OSAHS以睡眠過程中反復發(fā)生的上呼吸道完全或不完全阻塞以及呼吸道塌陷所致的呼吸暫停和(或)呼吸道低通氣為主要特點，可引起低氧血癥、高碳酸血癥及睡眠結構紊亂等一系列病理生理過程。OSAHS是多種疾病的獨立危險因素，可導致心腦血管、血液、腎臟等多器官損害[33]。OSAHS引起多個靶器官損傷的具體機制尚未完全闡明，多項研究證實，慢性間歇性低氧(chronic intermittent hypo-xia，CIH)是OSAHS的主要病理生理學特征之一，可通過調節(jié)線粒體功能引起靶器官損傷，是OSAHS靶器官損傷的核心因素[34-36]。

3.1線粒體動力學紊亂與OSAHS所致耳蝸外毛細胞損傷 OSAHS可對患者聽覺產生影響。臨床研究顯示，OSAHS對成人聽覺功能有損害，表現為耳蝸主動聽覺功能降低，以高頻聽力下降最明顯，可能合并聽神經中樞段及聽覺中樞損害[37]。長期缺氧是導致中重度0SAHS患者耳蝸功能損害以及聽力受損的主要因素之一，具體機制尚不明確。長期缺氧可誘導機體促紅細胞生成素的增加、紅細胞數量增多、血液黏稠度增加、血液流速減慢。耳蝸是高能量依賴器官之一，由末梢血管供血且無側支循環(huán)，因此對缺氧缺血十分敏感，耳蝸血運受阻或血中氧分壓降低均會迅速對耳蝸功能造成嚴重損傷，導致患者出現聽功能障礙。

目前，多應用CIH動物模型模擬OSAHS患者的疾病狀態(tài)。Seo等[38]對CIH致聽覺障礙小鼠模型的研究發(fā)現，毛細胞中線粒體形態(tài)異常(如嵴減少或缺失)，并伴隨過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子1α和線粒體轉錄因子A的表達增加。嵴減少或缺失表明線粒體內膜融合減少。過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子1α和線粒體轉錄因子A是線粒體生物發(fā)生的主要調節(jié)劑，其中過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子1α對Drp1表達有負性調節(jié)作用，還可通過雌激素相關受體α激活Mfn1基因轉錄[39]。在細胞損傷時，線粒體生物發(fā)生被動增加以滿足機體能量需求，過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子1α代償性增加，并可通過促進線粒體融合來抑制線粒體分裂，使ATP產生增多，從而保護毛細胞?？梢姡€粒體動力學紊亂可能參與了OSAHS所致聽力損傷的發(fā)病。

3.2線粒體動力學紊亂與OSAHS所致心肌損傷 OSAHS對心血管系統的影響較大。研究顯示，OSAHS 是缺血性心臟病、糖尿病、高血壓、充血性心力衰竭、急性冠狀動脈綜合征等心血管疾病發(fā)病率和死亡率增加的獨立危險因素[40]。

心臟是需要高能量驅動的器官，對缺氧缺血十分敏感。Han等[41]對CIH致心臟損傷大鼠模型的研究發(fā)現，受損心臟組織Drp1表達增加、Mfn2表達減少、線粒體斷裂增多、細胞凋亡增加，從而導致左心室肥大和心臟收縮功能受損。對小鼠的研究發(fā)現，通過調節(jié)線粒體質量可控制血紅素加氧酶-1的過表達，包括抑制Fis1表達和上調Mfn1/Mfn2表達，從而避免阿霉素誘導的擴張型心肌病[42]。進一步研究發(fā)現，氯化血紅素(一種強效血紅素加氧酶-1激活劑)可通過上調血紅素加氧酶-1的表達抑制線粒體片段化和心肌細胞凋亡，可對CIH誘導的心臟損傷起到保護作用[41]。 血紅素加氧酶-1途徑的藥理學調節(jié)可能為OSAHS相關心血管疾病提供了一種新的治療方法。由此可見，線粒體動力學紊亂可能參與了OSAHS所致的多系統損傷。

4 線粒體動力學異常在OSAHS靶器官損傷中的可能作用機制

4.1氧化應激 氧化應激與OSAHS關系密切。有研究表明，氧化應激是OSAHS靶器官損傷的重要機制之一，CIH可誘導缺氧和再氧合的循環(huán)，導致ROS增多和氧化應激[43]。氧化應激是由各種外源性或內源性刺激或應激引起的促氧化劑/抗氧化劑失衡狀態(tài)，可能由過量生成的ROS引起。

線粒體片段化是ROS過量產生的起始因素，而ROS可導致線粒體形態(tài)變化，進一步加劇氧化應激[44]。氧化應激可誘導線粒體分裂及其功能障礙，并促進各種疾病的發(fā)展和進展[45-46]。不同來源的ROS可誘導由Drp1和Fis1催化的線粒體分裂，導致線粒體片段化[47]。片段化線粒體的膜電位降低、電子傳遞鏈解偶聯、ATP水平下降，可進一步促進線粒體促凋亡蛋白的釋放。

Chen等[46]發(fā)現，線粒體動力學異常是氧化應激誘導的牙周膜細胞發(fā)生細胞凋亡的主要原因。牙周膜細胞的ROS增加，ATP水平降低，Mfn1和Mfn2的表達降低，而Drp1、Fis1的表達及OPA1的化學切割增加，線粒體分裂顯著增強。Wu等[48]對人肺腺癌細胞(ASTC-a-1)的研究發(fā)現，高強度低功率激光照射觸發(fā)的線粒體氧化應激下，線粒體顯示出片段化結構，并出現Drp1過表達、線粒體易位和功能障礙、細胞色素C釋放、胱天蛋白酶9活化，促進了高強度低功率激光照射誘導的細胞凋亡；線粒體形態(tài)改變及細胞損傷可通過ROS清除劑脫氫抗壞血酸來消除，表明氧化應激可誘導線粒體斷裂，進而促進細胞損傷，但ROS介導的氧化還原信號傳導調節(jié)線粒體分裂的機制尚未明確，仍有待進一步研究。

4.2內源性大麻素系統(endocannabinoid system，ECs) ECs是一種內源性信息傳導系統，由一組脂質來源的內源性大麻素配體、大麻素受體(cannabinoid receptor，CBR)1和CBR2以及參與其生物合成和降解的酶組成，參與食物攝入、能量代謝等體內多種生理功能的調節(jié)。CBR1和CBR2可在多種細胞、組織和器官中表達，如脂肪細胞、骨骼肌、肝臟和腎臟；在腎臟組織中，CBR1定位于足細胞、系膜細胞、近端小管細胞和遠端小管細胞[49]。有研究發(fā)現，CBR1和CBR2在腎功能障礙中起關鍵作用[50]。研究證實，CBR1在多種人類腎病模型中的表達上調，而CBR2表達下調[51]。CBR1的激活可導致腎臟血流動力學異常和功能障礙，并促進氧化應激、炎癥和腎纖維化的發(fā)展，在腎臟疾病的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用。

ECs可通過直接調節(jié)線粒體能量代謝影響線粒體功能[52-53]。Drori等[54]的研究發(fā)現，CBR1對腎臟線粒體動力學的調節(jié)影響線粒體功能，CBR1的活化導致線粒體分裂增加；CBR1敲除或使用內源性大麻素配體降解酶相應的阻斷劑處理細胞后，未能誘導線粒體片段化和線粒體功能障礙，且該過程需要部分通過調節(jié)S637和S616位點上的Drp1磷酸化水平來介導。CBR1是7次跨膜G蛋白偶聯受體，主要通過Gi/Go蛋白偶聯，可負向調節(jié)腺苷酸環(huán)化酶，正向調節(jié)促分裂原活化的蛋白激酶，還可調節(jié)離子通道。此外，CBR1可通過Gs蛋白激活腺苷酸環(huán)化酶，并通過Gq/11蛋白提高細胞內鈣離子水平[55]。除調節(jié)DRP1磷酸化的信號傳導途徑外，鈣調素依賴性蛋白激酶Ⅱ也可通過Ser616的Drp1磷酸化激活DRP1，并促進線粒體分裂[56]。

CBR1激活后促進線粒體分裂的可能機制為：①CBR1的激活通過Gi/Go蛋白抑制腺苷酸環(huán)化酶活性，使cAMP生成減少，導致依賴cAMP的蛋白激酶活性降低，并減少了S637的DRP1的磷酸化，從而促進了線粒體裂變；②CBR1的激活通過Gq/11蛋白使細胞內Ca2+濃度升高，通過鈣調素感應，Ca2+/鈣調素信號可活化靶蛋白(鈣調磷酸酶和鈣調素依賴性蛋白激酶Ⅱ)，進而在Ser637和Ser616位點調節(jié)Drp1的磷酸化，并促進線粒體裂變。武月清等[57]研究證實，OSAHS患者體內ECs的活性增強，CBR1表達上調。因此，OSAHS可能通過調節(jié)ECs系統的活性影響線粒體動力學平衡，導致靶器官損傷。

5 OSAHS的治療

線粒體動力學的調節(jié)已成為神經退行性疾病及心血管疾病的新的治療靶點?，F已研發(fā)出一些拮抗線粒體分裂的藥物，如Drp1 GTP酶活性特異性抑制劑Mdivi-1和選擇性抑制劑多肽P110。P110能特異性抑制Drp1/Fis1的相互作用，從而抑制線粒體分裂[58]。目前，尚無針對OSAHS的有效特異性藥物，持續(xù)氣道正壓通氣是治療OSAHS的首選方法，但其治療費用較高、使用不便，導致患者的依從性較差，治療效果欠佳。已有研究證實，抗氧化劑治療可改善CIH引起的心臟損傷[59]。武月清等[57]研究表明，CBR1拮抗劑利莫那班可改善CIH引起的腦組織損傷。但氧化應激、ROS、ECs與線粒體動力學的關系及機制仍有待進一步研究。

6 小 結

線粒體為細胞代謝提供能量的主要細胞器，線粒體動力學紊亂影響線粒體能量產生，導致多系統疾病的發(fā)生、發(fā)展。以CIH為主要病理生理學特征的OSAHS也可導致多系統損傷，具體致病機制尚不明確。CIH可能通過干擾線粒體動力學平衡影響線粒體能量代謝，最終導致各臟器損傷，CIH影響線粒體動力學的具體機制仍不明確，可能與氧化應激及ECs的調節(jié)有關，對氧化應激、ECs與線粒體動力學的關系及機制的進一步研究將為OSAHS及其并發(fā)癥的發(fā)病機制、預防或治療提供新思路。