線粒體功能及其與急性腎損傷和糖尿病腎病的關(guān)系

關(guān)毅鳴 王麗妍 劉文虎

急性腎損傷(acute kidney injury, AKI)以短時(shí)間內(nèi)血肌酐升高和尿量減少為主要診斷標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年有1330萬人被診斷為AKI，其中170萬患者最終死亡[1]。而對(duì)于存活的AKI患者，甚至臨床上腎功能已經(jīng)恢復(fù)的良性病程者，也有相當(dāng)高的比例會(huì)進(jìn)展為慢性腎臟病，并最終發(fā)展至終末期腎臟病，需要依賴腎臟替代治療存活，給家庭和社會(huì)造成極大的負(fù)擔(dān)。糖尿病腎病(diabetic nephropathy, DN)是糖尿病嚴(yán)重的微血管并發(fā)癥，是導(dǎo)致終末期腎臟病的主要原因，也是糖尿病患者的主要死亡原因之一。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為DN是一種非免疫性疾病，治療主要集中在嚴(yán)格控制血糖、血壓、血脂，抑制腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)改善患者血流動(dòng)力學(xué)、降尿蛋白和處理并發(fā)癥方面，然而上述治療并不能有效延緩腎功能進(jìn)展。

近年來研究發(fā)現(xiàn)，線粒體損傷參與AKI和DN的發(fā)生或發(fā)展過程。線粒體不僅是真核細(xì)胞能量的主要來源，還參與多種細(xì)胞功能的調(diào)節(jié)。腎臟作為一個(gè)需要高能量的器官，包含大量線粒體。在腎臟的超微結(jié)構(gòu)中，近端腎小管上皮細(xì)胞只能依賴有氧代謝供能，因而與具有無氧酵解能力的遠(yuǎn)端腎小管比較，其線粒體處于氧化活躍狀態(tài)，對(duì)損傷更為敏感。作為一種雙層膜結(jié)構(gòu)的細(xì)胞器，線粒體不斷進(jìn)行著分裂和融合，其動(dòng)態(tài)平衡會(huì)影響線粒體的功能，從而影響腎臟疾病的發(fā)生與發(fā)展。

一、線粒體功能

1.ATP的產(chǎn)生:腎臟中的所有細(xì)胞都需要ATP來維持功能，但ATP的產(chǎn)生機(jī)制依賴于細(xì)胞種類。在腎臟皮質(zhì)中，近端腎小管ATP的產(chǎn)生依賴于氧化磷酸化，從而完成葡萄糖、離子及營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)。而腎小球細(xì)胞(足細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和系膜細(xì)胞)則具有較低的氧化能力，因?yàn)槠涔δ苁菫V過，即除去血液中的小分子物質(zhì)，保留大分子蛋白質(zhì)。這種被動(dòng)過程不直接依賴ATP，因此腎小球細(xì)胞有能力進(jìn)行有氧和無氧呼吸。

非酯化脂肪酸的β氧化作用是近端腎小管產(chǎn)生ATP的主要途徑。脂肪酸首先通過轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白被近端腎小管攝取，或在細(xì)胞質(zhì)中合成。隨后在線粒體基質(zhì)中通過β氧化作用分解為能量。雖然β氧化作用是最有效的產(chǎn)能機(jī)制，但由于近端小管耗氧量高，比其他細(xì)胞更易受到含氧量變化的影響。含氧量下降會(huì)導(dǎo)致β氧化作用受損，ATP產(chǎn)量減少。分解代謝和合成代謝營養(yǎng)傳感通路的平衡可以調(diào)節(jié)細(xì)胞中脂肪酸的濃度，并對(duì)線粒體能量代謝產(chǎn)生不利影響。例如，在急性腎損傷和糖尿病腎病中，脂肪酸的積累會(huì)減少β氧化作用或增加細(xì)胞內(nèi)脂滴的形成，進(jìn)而導(dǎo)致ATP生成減少。

2.抗氧化防御系統(tǒng):線粒體通過電子傳遞鏈(electron transport chain, ETC)產(chǎn)生ATP。當(dāng)線粒體處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，電子通過ETC向氧分子傳遞的過程中，復(fù)合物Ⅰ和復(fù)合物Ⅲ生成低濃度的ROS。低濃度的ROS對(duì)細(xì)胞功能至關(guān)重要，但高濃度的ROS對(duì)線粒體和細(xì)胞具有毒性作用，它可以引起細(xì)胞色素C的釋放導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。因此，線粒體具有抗氧化防御系統(tǒng)，以抑制過多活性氧的產(chǎn)生,其重要性在于維持ATP的最佳產(chǎn)量和線粒體功能。

解偶聯(lián)蛋白是一類位于線粒體內(nèi)膜的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，是抗氧化防御系統(tǒng)的重要組成部分。它們將質(zhì)子通過線粒體內(nèi)膜轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體基質(zhì)。線粒體解偶聯(lián)蛋白2(uncoupling protein, UCP2)在腎臟表達(dá)，可由線粒體ROS或其他刺激因素激活。活化的UCP2以熱能的形式消散質(zhì)子的動(dòng)力，最終減少ROS的產(chǎn)生。由于ROS參與AKI和DN的病理過程，因此關(guān)于UCP2在腎病領(lǐng)域的相關(guān)研究已廣泛開展[2]。例如對(duì)于UCP2基因多態(tài)性的一項(xiàng)研究表明，UCP2是DN患者的潛在治療靶點(diǎn)，而在AKI小鼠中發(fā)現(xiàn)，缺乏UCP2會(huì)加重腎小管損傷[2，3]。

二、線粒體穩(wěn)態(tài)

1.線粒體生物合成:線粒體生物合成是指細(xì)胞產(chǎn)生新的、有功能的線粒體，以增加ATP產(chǎn)量，從而滿足細(xì)胞不斷增長的能量需求。線粒體的生物合成受一系列轉(zhuǎn)錄共激活因子和共抑制因子的調(diào)控。一項(xiàng)研究表明，在腎臟轉(zhuǎn)錄水平，過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔助活化因子1α(PPARγ coactivator-1α, PGC-1α)是三羧酸循環(huán)、氧化磷酸化和脂肪酸代謝的主要調(diào)節(jié)因子。對(duì)正常飲食或高脂飲食的野生型小鼠和PGC-1α敲除(NiPKO)小鼠的腎臟進(jìn)行了基因表達(dá)譜分析。發(fā)現(xiàn)在兩組NiPKO小鼠中，與氧化磷酸化、三羧酸循環(huán)和糖酵解相關(guān)的基因轉(zhuǎn)錄減少，提示腎臟中PGC-1α失活可減弱線粒體功能和新陳代謝，減少線粒體生物合成。而在體外實(shí)驗(yàn)中，過表達(dá)PGC-1α可以減輕由氧化劑引起的線粒體功能障礙，表明PGC-1α在調(diào)節(jié)線粒體生物合成、維持線粒體穩(wěn)態(tài)中起重要作用。

一般來說，如果細(xì)胞需要更多能量，PGC-1α可被脫乙?；饔眉せ?，而當(dāng)能量水平很高時(shí)，PGC-1α則被乙?；饔脺缁?。在骨骼肌和心臟中，運(yùn)動(dòng)和胰島素可以刺激PGC-1α的表達(dá)增加，而在肝臟中，禁食可以增加PGC-1α的表達(dá)[4]。在棕色脂肪組織和肌肉細(xì)胞中，寒冷刺激可激活PGC-1α。由于PGC-1α的激活或抑制受外部刺激和轉(zhuǎn)錄后修飾的調(diào)節(jié)，故認(rèn)為它是腎臟的營養(yǎng)傳感器。目前關(guān)于腎病中PGC-1α調(diào)節(jié)過程的研究，主要集中在DN、腎臟缺血再灌注損傷、膿毒癥及順鉑所致AKI等方面。

2.線粒體動(dòng)力學(xué):線粒體處于不斷分裂和融合的狀態(tài)，二者的動(dòng)態(tài)平衡是維持線粒體穩(wěn)態(tài)所必需的條件。當(dāng)編碼分裂、融合相關(guān)蛋白的基因出現(xiàn)缺失時(shí)會(huì)導(dǎo)致人類疾病的發(fā)生。研究表明，細(xì)胞的氧化磷酸化隨線粒體融合而增加，隨線粒體分裂而減少。這正如神經(jīng)退行性疾病所表現(xiàn)的那樣，過度融合和過度分裂都與疾病狀態(tài)有關(guān)。然而，體內(nèi)某些細(xì)胞并不符合這一規(guī)律，如成年心肌細(xì)胞和衰老細(xì)胞。心肌細(xì)胞中的線粒體成碎片狀，但保持氧化能力；而衰老細(xì)胞中的線粒體呈拉長形態(tài)，這是融合活躍的特征，處于拉長狀態(tài)的衰老細(xì)胞的能量供應(yīng)能力下降。

線粒體融合包括兩步，先是外膜融合，隨后內(nèi)膜融合。動(dòng)力蛋白超家族的線粒體融合蛋白1(mitochondrial fusion protein, MFN1)、MFN2和視神經(jīng)萎縮蛋白1(optic atrophy protein, OPA1)是參與線粒體融合的關(guān)鍵分子。融合使得線粒體在生理?xiàng)l件下被拉長，有助于維持氧化磷酸化。線粒體外膜通過MFN1和MFN2的二聚作用而被拴緊。外膜融合可由氧化應(yīng)激等外部刺激激活，內(nèi)膜融合可以通過改變OPA1蛋白水解裂解位點(diǎn)來調(diào)控。

線粒體分裂對(duì)于從網(wǎng)絡(luò)中分離受損的線粒體是必要的。去極化或不平衡的線粒體將通過自噬被清除。然而，在DN和AKI等疾病中出現(xiàn)的過度分裂，對(duì)維持線粒體穩(wěn)態(tài)是有害的。體外研究表明，營養(yǎng)過?；蜓趸瘧?yīng)激會(huì)刺激細(xì)胞線粒體分裂。線粒體膜電位丟失后，動(dòng)力相關(guān)蛋白1(dynamic related protein, DRP1)從胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到線粒體外膜，介導(dǎo)線粒體分裂。DRP1可以與幾種不同的受體結(jié)合，如線粒體分裂蛋白1、線粒體動(dòng)力蛋白MID49和MID51以及位于線粒體外膜的線粒體分裂因子(mitochondrial fission factor, MFF)。DRP1與受體結(jié)合后在線粒體外膜上聚集，介導(dǎo)線粒體的分裂，其活性可以通過翻譯后修飾來調(diào)控，如磷酸化、泛素化和類泛素化[5]。

3.線粒體自噬:線粒體自噬是指選擇性地從細(xì)胞中去除受損的和無功能的線粒體，受到多種信號(hào)通路的調(diào)控。目前較為公認(rèn)的途徑有線粒體膜蛋白磷酸酶和張力蛋白同源物誘導(dǎo)激酶1(PTEN-induced putative kinase 1, PINK1)/細(xì)胞溶質(zhì)E3泛素連接酶Parkin通路、Bcl-2/腺病毒E1B19000結(jié)合蛋白(Bcl-2 and adenovirus E1B19000 interacting protein, BNIP3)/線粒體外膜類NIP3蛋白(NIP3-like protein X, NIX)通路。此外，還有線粒體外膜蛋白FUNDC1、NIX等與以上途徑相互協(xié)調(diào)，共同調(diào)控線粒體自噬過程。

PINK1/Parkin是哺乳動(dòng)物中公認(rèn)的介導(dǎo)線粒體自噬的途徑。PINK1是一種位于細(xì)胞質(zhì)中的線粒體靶向激酶；Parkin是細(xì)胞溶質(zhì)泛素連接酶。在生理?xiàng)l件下，PINK1在線粒體膜上表達(dá)較少，在外膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白作用下進(jìn)入線粒體內(nèi)，錨定在線粒體內(nèi)膜上，而后被基質(zhì)內(nèi)水解酶降解。在病理?xiàng)l件下，由于線粒體發(fā)生去極化改變，PINK1無法被轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體內(nèi)，故而聚集在線粒體外膜上，發(fā)生自磷酸化而活化?；罨腜INK1招募并活化Parkin，促進(jìn)其向線粒體移位，啟動(dòng)線粒體自噬[6，7]。

BNIP3/NIX通路在調(diào)節(jié)線粒體自噬過程中也發(fā)揮重要作用。BNIP3和NIX都是促凋亡蛋白，通過磷酸化自身結(jié)構(gòu)域來啟動(dòng)線粒體自噬[8]。在缺氧條件下，BNIP3/NIX通過改變線粒體膜電位來維持線粒體功能。有研究結(jié)果顯示，BNIP3抑制PINK1裂解，從而促進(jìn)線粒體自噬的發(fā)生。

三、線粒體與腎臟疾病

1.急性腎損傷：大量研究結(jié)果證明，線粒體功能障礙是AKI的啟動(dòng)因素和促進(jìn)因素。在病理學(xué)方面，可觀察到近端腎小管上皮細(xì)胞線粒體的腫脹和分裂。在分子生物學(xué)方面，腎臟ATP產(chǎn)生減少，ROS生成增加，細(xì)胞色素C的釋放均提示線粒體損傷在其中的重要作用[9]。在包括膿毒癥在內(nèi)的許多AKI動(dòng)物模型中均可觀察到近端腎小管細(xì)胞線粒體呼吸蛋白的丟失和線粒體功能障礙[10，11]。此外，在損傷過程中，ETC蛋白的持續(xù)丟失可能延緩AKI腎功能的恢復(fù)。在缺血腎臟中，許多因素會(huì)破壞脂肪酸的氧化和轉(zhuǎn)運(yùn)。例如，NAD+等輔助性因子是脂肪酸氧化所必需的，但ETC功能失調(diào)會(huì)導(dǎo)致NAD+生成障礙。最終引起脂肪酸在細(xì)胞質(zhì)中的堆積，使得線粒體ATP生成減少[12]。在AKI小鼠模型中，PGC-1α的表達(dá)被持續(xù)抑制，PGC-1α可以調(diào)控線粒體蛋白的轉(zhuǎn)錄，因此AKI時(shí)這些線粒體蛋白表達(dá)下降。在膿毒癥AKI的動(dòng)物模型中，PGC-1α敲除后血清肌酐、尿素氮水平較對(duì)照組顯著升高[4]。相反，在近端腎小管過表達(dá)PGC-1α能夠減輕腎臟損傷?？傊?，這些研究結(jié)果表明PGC-1α在AKI腎功能恢復(fù)過程中起到重要作用。

線粒體動(dòng)力學(xué)的改變是導(dǎo)致線粒體能量障礙的因素。在腎損傷早期，DRP1易位至線粒體外膜，DRP1的激活促進(jìn)線粒體破碎和凋亡[13,14]。在AKI中觀察到線粒體嵴結(jié)構(gòu)的喪失，造成線粒體膜電位下降，ATP生成減少[9]。給予AKI腎臟DRP1抑制劑mdivi-1后，線粒體分裂被抑制，腎損傷減輕。近年來研究發(fā)現(xiàn)去乙?；竤irtuin3(Sirt3)在AKI中起重要作用。Sirt3是線粒體特有的蛋白去乙?；?，在維持線粒體正常結(jié)構(gòu)和功能中發(fā)揮著積極作用。在順鉑刺激腎小管上皮細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，過表達(dá)Sirt3減少了DRP1從胞質(zhì)向線粒體外膜的移位，從而減輕了線粒體分裂，提示AKI時(shí)Sirt3對(duì)線粒體動(dòng)力學(xué)發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。在順鉑誘導(dǎo)的AKI小鼠模型中，Sirt3的缺失加重了腎臟損傷，提示Sirt3在腎功能恢復(fù)中發(fā)揮重要作用[15]。

2.糖尿病腎病:高血糖是導(dǎo)致DN發(fā)生的主要因素。高血糖會(huì)通過TCA循環(huán)增加還原型輔酶Ⅰ(nicotinamide adenine dinucleotide, NADH)和黃素腺嘌呤二核苷酸遞氫體(flavine adenine dinucleotide, FADH2)的生成，給ETC提供能量。ETC釋放的ROS會(huì)破壞線粒體DNA，阻礙線粒體蛋白的生成。早期研究認(rèn)為，高血糖狀態(tài)是通過刺激超極化線粒體的生成而導(dǎo)致線粒體功能障礙，這種線粒體產(chǎn)生更多ATP，并從復(fù)合物Ⅰ和Ⅲ中釋放出比正常線粒體更高水平的超氧化物。然而，服用維生素E和維生素A等抗氧化劑并不能降低糖尿病患者并發(fā)癥的發(fā)生，這表明線粒體ROS可能不是DN線粒體功能障礙的主要因素。高血糖還會(huì)增加晚期糖基化終產(chǎn)物的生成，增加蛋白激酶C和己糖胺通路的活性，從而導(dǎo)致線粒體功能障礙。這3種機(jī)制對(duì)人體都會(huì)產(chǎn)生不良影響，包括纖維化、血栓形成、氧化損傷及全身血管系統(tǒng)和血液流動(dòng)的異常[16]。

盡管引起糖尿病線粒體動(dòng)力學(xué)變化的機(jī)制尚不清楚，但在糖尿病早期，近端小管中已觀察到線粒體碎片化。線粒體分裂使線粒體膜電位下降，減少ATP生成，促進(jìn)凋亡發(fā)生[17]。有研究結(jié)果表明，RHO相關(guān)蛋白激酶1(RHO-associated protein kinase 1, ROCK1)信號(hào)在激活DN的線粒體分裂中發(fā)揮作用。ROCK1促進(jìn)DRP1向線粒體易位，并通過磷酸化DRP1促進(jìn)線粒體分裂。在鏈脲霉素誘導(dǎo)的DN小鼠中，缺失ROCK1可以防止線粒體分裂，減少ROS生成，恢復(fù)腎臟正常功能[18]。

在糖尿病大鼠的腎臟中觀察到PGC-1α的表達(dá)下降。在腎臟系膜細(xì)胞中過表達(dá)PGC-1α可以減弱高糖引起的病理生理學(xué)改變。研究顯示，在糖尿病大鼠腎臟中，DRP1向線粒體外膜的易位減弱，線粒體碎片化表現(xiàn)增強(qiáng)，線粒體生物合成減少[19]。高糖刺激足細(xì)胞后，PGC-1α的基因和蛋白水平均減少，提示線粒體生物合成減少[20]。這些研究結(jié)果提示以線粒體生物合成和動(dòng)力學(xué)之間的平衡為目標(biāo)可能是DN的潛在治療方向。

四、展 望

線粒體功能及穩(wěn)態(tài)平衡主要調(diào)控生成ATP的細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)的破壞可導(dǎo)致線粒體功能障礙和器官損傷。線粒體動(dòng)力學(xué)的平衡保證了線粒體的功能和分布，使其能夠適應(yīng)不同的代謝需求。盡管對(duì)線粒體分裂、融合、生物合成及線粒體自噬已經(jīng)有所了解，但這些過程在腎臟疾病中的確切作用仍有待于進(jìn)一步研究。目前研究發(fā)現(xiàn)，在AKI和DN中存在明顯的線粒體功能障礙，持續(xù)的功能障礙可能會(huì)導(dǎo)致腎功能的持續(xù)惡化，從而發(fā)展為慢性腎臟病。因此，修復(fù)線粒體功能障礙可能具有逆轉(zhuǎn)細(xì)胞損傷、保護(hù)腎臟功能的作用。在心血管、神經(jīng)病學(xué)和腫瘤學(xué)領(lǐng)域，一些針對(duì)線粒體的藥物已經(jīng)出現(xiàn)，而在腎臟領(lǐng)域研究進(jìn)度相對(duì)落后。未來，更多研究應(yīng)以線粒體穩(wěn)態(tài)為目標(biāo)尋找治療靶點(diǎn)，研究基于線粒體的新的治療方法，從而改善腎臟疾病的預(yù)后。