線粒體衍生肽MOTS-c的生理作用

孟祥祺,苑姍姍,戴紅艷,管軍

(青島大學(xué)附屬青島市市立醫(yī)院 a.保健四科, b.心內(nèi)科, 山東 青島 266000)

線粒體是細(xì)胞中重要的功能性細(xì)胞器，是細(xì)胞的代謝中樞，為細(xì)胞提供行使生命活動(dòng)所必需的能量，還能夠攜帶遺傳物質(zhì)，擁有獨(dú)立的遺傳密碼——線粒體DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)。mtDNA是一種雙鏈超螺旋共價(jià)閉合環(huán)狀DNA分子，編碼37個(gè)基因，包括22種轉(zhuǎn)運(yùn)RNA、2種核糖體RNA和13種信使RNA[1-2]。另外，mtDNA還包含一些短開(kāi)放閱讀框(small open reading frames，sORFs)，這些sORFs可通過(guò)轉(zhuǎn)錄、翻譯具有生物活性的短肽，在細(xì)胞應(yīng)激時(shí)改變細(xì)胞的功能，人們將這些短肽命名為線粒體衍生肽(mitochondrial derived peptides，MDPs)[3]。研究顯示，MDPs通過(guò)調(diào)節(jié)線粒體生物能學(xué)和線粒體代謝，影響線粒體介導(dǎo)的新陳代謝。作為一組新定義的循環(huán)信號(hào)分子，MDPs具有廣闊的研究前景，截至目前共發(fā)現(xiàn)3種MDPs：Humanin[4]、MOTS-c(mitochondrial open reading frame of the 12S rRNA-c)[5]、SHLP1-6(small humanin like peptides 1-6)[6]。MOTS-c是2015年Lee等[5]利用計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)現(xiàn)，是mtDNA 12S rRNA基因座中sORF編碼的MDPs，由16個(gè)氨基酸組成，其中前11個(gè)氨基酸殘基高度保守。人類(lèi)MOTS-c的一級(jí)結(jié)構(gòu)為Met-Arg-Trp-Gln-Glu-Met-Gly-Tyr-Ile-Phe-Tyr-Pro-Arg-Lys-Leu-Arg，廣泛分布于各種組織和血漿中，通過(guò)自分泌和旁分泌在細(xì)胞水平和機(jī)體水平發(fā)揮作用[5]?，F(xiàn)就MOTS-c的生理作用進(jìn)行綜述。

1 MOTS-c的細(xì)胞保護(hù)作用

線粒體作為細(xì)胞能量代謝的中樞，是維持機(jī)體正常代謝的“發(fā)動(dòng)機(jī)”，為正常發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)，協(xié)調(diào)細(xì)胞代謝穩(wěn)態(tài)，線粒體與細(xì)胞核之間有著復(fù)雜的通信系統(tǒng)。最初人們認(rèn)為這種通信系統(tǒng)是自上而下的，由細(xì)胞核產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，線粒體被動(dòng)接收驅(qū)動(dòng)信號(hào)，線粒體基因組被動(dòng)受細(xì)胞核DNA(nuclear DNA，nDNA)編碼的因子調(diào)節(jié)。但近年來(lái)的研究顯示，線粒體可主動(dòng)調(diào)節(jié)各種生理過(guò)程，甚至影響nDNA的表達(dá)[7]。MOTS-c作為mtDNA sORF編碼的一種多肽，是線粒體信號(hào)傳遞系統(tǒng)的新成員。MOTS-c可與nDNA調(diào)節(jié)元件和轉(zhuǎn)錄因子相互作用，直接調(diào)節(jié)nDNA的表達(dá)，體外培養(yǎng)的HEK293細(xì)胞受到氧化應(yīng)激刺激時(shí)，核外的MOTS-c可響應(yīng)代謝應(yīng)激刺激，通過(guò)AMP活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)途徑動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核，與核因子E2相關(guān)因子2靶基因啟動(dòng)子區(qū)域相作用，促進(jìn)下游靶基因的表達(dá)，從而調(diào)控多種抗氧化應(yīng)激酶類(lèi)的表達(dá)，增加細(xì)胞抗性，維持細(xì)胞代謝穩(wěn)態(tài)，起到細(xì)胞保護(hù)的作用[7]。在慢性腎臟病5期患者的骨骼肌細(xì)胞中，MOTS-c的低表達(dá)與核因子E2相關(guān)因子2基因表達(dá)的減少相一致[8]。MOTS-c在代謝應(yīng)激條件下的細(xì)胞保護(hù)機(jī)制可能參與了多種病理生理過(guò)程。

2 MOTS-c調(diào)節(jié)糖脂代謝

MOTS-c可通過(guò)AMPK途徑參與調(diào)節(jié)葡萄糖代謝穩(wěn)態(tài)和脂肪酸的合成過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)，MOTS-c可抑制葉酸-甲硫氨酸循環(huán)，直接阻斷嘌呤從頭合成，使5-甲基四氫葉酸水平下降，提高5-氨基咪唑-4-羧基酰胺核苷酸的水平，通過(guò)激活A(yù)MPK發(fā)揮調(diào)節(jié)糖脂代謝穩(wěn)態(tài)的作用[5]。MOTS-c的這一作用機(jī)制與降糖藥物二甲雙胍[9]類(lèi)似。體外研究顯示，經(jīng)MOTS-c處理的細(xì)胞對(duì)葡萄糖的攝取增加，基礎(chǔ)氧耗速率降低[5]。體內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，腹膜內(nèi)注射MOTS-c可顯著降低正常飲食小鼠非空腹血糖的水平，并顯著改善葡萄糖耐量試驗(yàn)中葡萄糖的清除率[5]。在老年小鼠(12月齡)中，通過(guò)補(bǔ)充MOTS-c成功逆轉(zhuǎn)了年齡依賴性骨骼肌胰島素抵抗，提示小鼠骨骼肌和循環(huán)中MOTS-c的水平與年齡相關(guān)的胰島素抵抗有關(guān)[5]。在高脂肪飲食誘導(dǎo)的胰島素抵抗小鼠中，小鼠骨骼肌細(xì)胞中活化的AMPK和下游葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4的表達(dá)增加，提示MOTS-c可以預(yù)防高脂飲食誘導(dǎo)的胰島素抵抗[5]。高胰島素-正葡萄糖鉗夾技術(shù)顯示，MOTS-c通過(guò)作用于骨骼肌以增加葡萄糖的清除，從而調(diào)節(jié)葡萄糖穩(wěn)態(tài)[5]。由MOTS-c誘導(dǎo)攝取的葡萄糖被引入磷酸戊糖途徑，為嘌呤的合成提供碳源，而不是通過(guò)無(wú)氧酵解經(jīng)肝臟代謝葡萄糖，提示MOTS-c不會(huì)改變肝臟葡萄糖生成的速度。這一特點(diǎn)與經(jīng)典的AMPK激活劑二甲雙胍的作用機(jī)制不同，提示MOTS-c可以避免二甲雙胍、5-氨基咪唑-4-羧基酰胺核苷酸等傳統(tǒng)AMPK激活類(lèi)藥物誘發(fā)的肝毒性，表明MOTS-c可作為調(diào)節(jié)代謝穩(wěn)態(tài)的藥物[10]。MOTS-c可作為一種新型的胰島素增敏劑，以類(lèi)似但不完全等同于二甲雙胍的方式作用于骨骼肌，誘導(dǎo)葡萄糖攝取，并改善機(jī)體對(duì)胰島素的敏感性。

MOTS-c還參與脂質(zhì)代謝。MOTS-c通過(guò)刺激肉毒堿穿梭提高脂質(zhì)利用率和β-氧化水平。當(dāng) 5-氨基咪唑-4-羧基酰胺核苷酸累積時(shí)脂肪酸氧化增加[11]。在高脂飲食飼養(yǎng)的胰島素抵抗小鼠中，骨骼肌中的MOTS-c可通過(guò)提高激活的AMPK的水平，促使下游葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4表達(dá)，以預(yù)防高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖[5]。此外，MOTS-c還可減少高脂飲食誘導(dǎo)的內(nèi)臟脂肪沉積和肝臟脂肪變性，但尚不清楚這是由于脂肪生成減少還是脂肪分解增加導(dǎo)致的[5]。MOTS-c也可通過(guò)降低三酰甘油水平提高蛋白激酶B活性并促進(jìn)脂肪細(xì)胞AMPK途徑，減少脂滴沉積[5]。研究發(fā)現(xiàn)，MOTS-c處理后，與脂質(zhì)氧化相關(guān)的基因無(wú)變化，但與脂肪生成相關(guān)的基因被顯著抑制[5]。

女性激素的水平在絕經(jīng)前后會(huì)發(fā)生顯著變化，主要表現(xiàn)為雌激素絕對(duì)減少。絕經(jīng)后婦女發(fā)生代謝功能障礙的風(fēng)險(xiǎn)增加，可導(dǎo)致糖脂質(zhì)代謝紊亂和肥胖[12]。絕經(jīng)后血脂異常包括低密度脂蛋白水平增高、高密度脂蛋白水平降低[13]。Lu等[14]研究發(fā)現(xiàn)，MOTS-c可以預(yù)防去卵巢引起的胰島素抵抗、脂肪沉積和炎癥侵襲。MOTS-c可增加能量消耗抑制脂肪量擴(kuò)增，表現(xiàn)為MOTS-c可縮小脂肪細(xì)胞、抑制脂肪-炎癥反應(yīng)、增強(qiáng)去卵巢小鼠的脂質(zhì)分解代謝；MOTS-c還增加了棕色脂肪的活化，減少了白色脂肪的積累，從而降低血清和肝臟中脂肪酸的水平[14]。

2017年在中國(guó)湖北進(jìn)行的一項(xiàng)病例對(duì)照研究顯示，與對(duì)照組相比，肥胖組MOTS-c的水平顯著降低；按性別分類(lèi)后，男性肥胖兒童和青少年MOTS-c的水平顯著低于男性對(duì)照組；此外，MOTS-c的水平與男性群體中的體質(zhì)指數(shù)、體質(zhì)指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差評(píng)分、腰圍、腰臀比、空腹胰島素水平、胰島素抵抗指數(shù)以及糖化血紅蛋白呈負(fù)相關(guān)[15]。在D型半乳糖苷酶誘導(dǎo)的肝臟脂質(zhì)沉積小鼠中，MOTS-c治療后可觀察到小鼠肝臟線粒體的動(dòng)力學(xué)改善，證明MOTS-c能夠通過(guò)改善線粒體狀態(tài)，減輕肝臟組織中的脂質(zhì)積累[16]。

3 MOTS-c調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)

運(yùn)動(dòng)可使骨骼肌中的AMPK活化，導(dǎo)致脂肪酸氧化和線粒體生物合成，進(jìn)而重塑肌肉,改善機(jī)體的耐力和代謝，從而有益身體健康?？梢?jiàn)AMPK在運(yùn)動(dòng)相關(guān)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)中具有重要作用。之前的研究已經(jīng)證明注射MOTS-c可使小鼠骨骼肌中的AMPK活化[17]，提示MOTS-c可通過(guò)活化AMPK直接將線粒體與運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)聯(lián)系起來(lái)，從而參與運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)。MOTS-c可能是運(yùn)動(dòng)模擬劑，未來(lái)可通過(guò)攝入外源性MOTS-c，發(fā)揮類(lèi)似“鍛煉”的作用，從而起到強(qiáng)身健體的目的。此外，MOTS-c作為線粒體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的成員，介導(dǎo)了運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的有絲分裂，增強(qiáng)了對(duì)運(yùn)動(dòng)的耐受性[18]。因此，MOTS-c可能在運(yùn)動(dòng)相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)中發(fā)揮作用[19]，但尚需更多的研究證明此觀點(diǎn)。

4 MOTS-c延緩衰老

MOTS-c的水平隨著年齡的增長(zhǎng)而下降，表明MOTS-c的丟失與衰老和年齡相關(guān)疾病的病理生理過(guò)程存在相關(guān)性[5]。研究發(fā)現(xiàn)，編碼MOTS-c的mtDNA中的m.1382A>C多態(tài)性可能與日本人群的長(zhǎng)壽現(xiàn)象相關(guān)[20]。m.1382A>C變異導(dǎo)致MOTS-c中第14位氨基酸賴氨酸被谷氨酰胺置換，這可能會(huì)延緩衰老[21]。已知的年齡修飾因子與MOTS-c也存在聯(lián)系。煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide,NAD)是參與氧化還原反應(yīng)的關(guān)鍵代謝輔酶，可隨著年齡的增長(zhǎng)而下降，恢復(fù)水平可改善與年齡相關(guān)的疾病狀況[22-23]。MOTS-c可增加細(xì)胞內(nèi)NAD的水平[5]。此外，MOTS-c還可抑制葉酸-甲硫氨酸循環(huán)，導(dǎo)致甲硫氨酸代謝減少，甲硫氨酸減少可使嚙齒類(lèi)動(dòng)物的壽命延長(zhǎng)約45%，減少年齡相關(guān)疾病(如癌癥)，延緩晶狀體變質(zhì)，減少內(nèi)臟脂肪，并增加主要抗氧化劑谷胱甘肽的水平[24-28]。Mendelsohn和Larrick[10]研究表明，MOTS-c可增加衰老細(xì)胞衰老相關(guān)分泌表型的表達(dá)，使其更易被免疫系統(tǒng)檢測(cè)到并被清除?；谝陨涎芯?，MOTS-c可能在延緩衰老方面具有積極作用，但目前尚需要更確切的證據(jù)。

5 MOTS-c調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)

炎癥是多種疾病的基本病理過(guò)程。目前普遍認(rèn)為促分裂原活化的蛋白激酶(mitogen activated protein kinase，MAPK)在介導(dǎo)炎癥反應(yīng)和細(xì)胞因子生成中發(fā)揮重要作用。Zhai等[29]的研究發(fā)現(xiàn)，MOTS-c通過(guò)降低MAPK的磷酸化、上調(diào)芳香烴受體的表達(dá)和巨噬細(xì)胞中信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子3的水平降低促炎細(xì)胞因子如白細(xì)胞介素(interleukin,IL)-6和IL-1β的水平。在感染耐甲氧西林金葡菌的小鼠中，用MOTS-c處理后腹腔中巨噬細(xì)胞的數(shù)量顯著增加，多個(gè)器官細(xì)菌負(fù)荷減少。該研究認(rèn)為，MOTS-c是通過(guò)抑制MAPK增加信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子3和芳香烴受體的表達(dá)，增強(qiáng)巨噬細(xì)胞的殺菌能力，同時(shí)調(diào)節(jié)促炎細(xì)胞因子和抗炎細(xì)胞因子的平衡(抑制促炎細(xì)胞因子腫瘤壞死因子-α、IL-6和IL-1β表達(dá)，促進(jìn)抗炎細(xì)胞因子IL-10表達(dá))[29]。

6 MOTS-c調(diào)節(jié)血管內(nèi)皮功能

冠狀動(dòng)脈微血管功能障礙(coronary microvascular dysfunction，CMD)是各種致病因素導(dǎo)致冠狀動(dòng)脈微血管功能和(或)結(jié)構(gòu)異常，從而影響心肌灌注，進(jìn)而出現(xiàn)一系列臨床表現(xiàn)的功能失調(diào)性疾病。Camici和Crea[30]認(rèn)為，CMD是大部分冠狀動(dòng)脈疾病的主要致病機(jī)制。研究表明，內(nèi)皮功能障礙和炎癥是CMD的主要病因[31-33]。血管內(nèi)皮可不依賴線粒體供能，而依靠糖酵解產(chǎn)生ATP[34]，提示線粒體在內(nèi)皮細(xì)胞中不發(fā)揮供能作用，可能發(fā)揮調(diào)節(jié)或維持穩(wěn)態(tài)的作用。研究證實(shí)，線粒體氧化磷酸化產(chǎn)生的副產(chǎn)物線粒體活性氧類(lèi)參與了線粒體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，內(nèi)皮中高水平的線粒體活性氧類(lèi)會(huì)導(dǎo)致內(nèi)皮功能障礙，參與內(nèi)皮功能的調(diào)節(jié)[35-36]。MOTS-c也參與血管內(nèi)皮線粒體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，提示其潛在的調(diào)節(jié)內(nèi)皮功能的作用。

Kadlec等[36]的研究納入了40例接受冠狀動(dòng)脈造影和內(nèi)皮功能檢查的患者，患者有心絞痛的臨床表現(xiàn)，但無(wú)結(jié)構(gòu)性冠狀動(dòng)脈病變。根據(jù)乙酰膽堿處理后冠狀動(dòng)脈血流的改變情況將患者分為正常內(nèi)皮功能組和內(nèi)皮功能障礙組。研究發(fā)現(xiàn)，與內(nèi)皮功能正常組相比，內(nèi)皮功能障礙組患者血漿MOTS-c的水平較低。對(duì)大鼠和腎動(dòng)脈狹窄小鼠的主動(dòng)脈環(huán)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，雖然MOTS-c無(wú)直接血管活性作用，但應(yīng)用MOTS-c的大鼠或MOTS-c預(yù)處理(2 μg/mL)的腎動(dòng)脈狹窄小鼠的血管對(duì)乙酰膽堿的反應(yīng)改善[37]。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了MOTS-c在改善內(nèi)皮功能障礙中的作用，但具體機(jī)制尚不清楚。有證據(jù)表明，核因子κB(nuclear factor-kappa B，NF-κB)的激活可通過(guò)調(diào)節(jié)促炎細(xì)胞因子(腫瘤壞死因子-α、IL-6)、黏附分子(E-選擇素、血管細(xì)胞黏附分子1、細(xì)胞間黏附分子1)以及誘導(dǎo)酶(環(huán)加氧酶2、誘導(dǎo)型一氧化氮合酶)的表達(dá)，加重內(nèi)皮功能受損[38-39]。此外，NF-κB的上游通路MAPKs也可通過(guò)調(diào)節(jié)黏附分子表面的表達(dá)參與內(nèi)皮功能受損的發(fā)展，如血管細(xì)胞黏附分子1和細(xì)胞間黏附分子1[40]。MOTS-c也可通過(guò)抑制MAPKs信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，抑制促炎細(xì)胞因子(腫瘤壞死因子-α、IL-6、IL-1β)的表達(dá)[29]。以上研究間接表明MOTS-c可通過(guò)抑制MAPK/NF-κB途徑預(yù)防內(nèi)皮功能受損。

7 MOTS-c 抗骨質(zhì)疏松

骨質(zhì)疏松是一種骨吸收和骨重建失衡的骨退行性病變，在絕經(jīng)期女性和老年人中的發(fā)病率較高。Ming等[41]針對(duì)去卵巢小鼠的研究發(fā)現(xiàn)，在巨噬細(xì)胞向破骨細(xì)胞分化過(guò)程中加入MOTS-c可抑制破骨細(xì)胞分化；加入MOTS-c后再加入AMPK阻斷劑Compound c，可明顯減弱MOTS-c抑制破骨細(xì)胞分化的作用。提示MOTS-c通過(guò)活化AMPK，抑制破骨細(xì)胞分化，減輕絕經(jīng)后因雌激素水平降低引起的骨質(zhì)流失，從而發(fā)揮抗骨質(zhì)疏松的作用。Hu和Chen[42]發(fā)現(xiàn)，MOTS-c通過(guò)轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β途徑促進(jìn)大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化，從而改善骨質(zhì)疏松。綜上所述，MOTS-c既能促進(jìn)成骨細(xì)胞分化，又能夠抑制破骨細(xì)胞分化，其通過(guò)這兩種途徑改善骨代謝失衡，抗骨質(zhì)疏松。

8 展 望

MOTS-c是一個(gè)具有巨大前景的MDPs，其既在細(xì)胞內(nèi)起作用，是一種核-線粒體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的信號(hào)分子，在代謝應(yīng)激條件下增加細(xì)胞抗性；又分布在循環(huán)系統(tǒng)中，作為一種線粒體來(lái)源的活性肽，發(fā)揮“激素”樣作用，調(diào)節(jié)糖脂代謝和炎癥反應(yīng)、改善血管內(nèi)皮功能、抗骨質(zhì)疏松等，并可能有延緩衰老的作用。MOTS-c在多種疾病中有巨大的研究?jī)r(jià)值及應(yīng)用前景。此外，MOTS-c作為線粒體sORF編碼的肽，為研究線粒體與疾病和健康的關(guān)系提供了新思路，但目前仍需要進(jìn)一步研究MOTS-c的功能和作用機(jī)制，以期為臨床應(yīng)用提供更多的線索。