白藜蘆醇對(duì)線粒體質(zhì)量調(diào)控研究進(jìn)展

張 虎, 梁計(jì)陵, 錢(qián)帥偉, 蔣留軍, 陳 寧

(1. 武漢體育學(xué)院 研究生院, 武漢 430079; 2. 武漢體育學(xué)院 健康科學(xué)學(xué)院, 武漢 430079; 3. 復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院北院, 上海 200040; 4. 武漢體育學(xué)院 健康科學(xué)學(xué)院 運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練監(jiān)控湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天久運(yùn)動(dòng)營(yíng)養(yǎng)食品研發(fā)中心, 武漢 430079)

白藜蘆醇，又稱(chēng)3,5,4′-三羥基芪，分子式為C14H12O3，相對(duì)分子量為228.25。Res作為廣泛存在于植物中的非黃酮類(lèi)多酚，在葡萄、桑葚、花生等植物中均有存在，且具有抗腫瘤、保護(hù)心腦血管和免疫調(diào)節(jié)等作用[1]。Res自1939年在白藜蘆的根部被發(fā)現(xiàn)繼而被提取，有順、反結(jié)構(gòu)之分，因反式結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定而被廣泛使用。在小鼠急性口服15 g/kg體重和大鼠90 d [167～500 mg/(kg·d)]的大劑量Res干預(yù)中，均未發(fā)現(xiàn)急性和遺傳毒性[2]。隨著研究的深入，Res在調(diào)控線粒體異常導(dǎo)致的疾病和抗衰老等方面逐漸成為研究熱點(diǎn)。

線粒體作為具有獨(dú)立遺傳基因的雙層膜結(jié)構(gòu)細(xì)胞器，普遍存在于絕大多數(shù)真核細(xì)胞中，通過(guò)三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化為機(jī)體提供大部分能量。線粒體參與細(xì)胞內(nèi)眾多生理活動(dòng)，如細(xì)胞增殖、分化、衰老和凋亡等。然而，當(dāng)線粒體功能受損破碎、ATP合成與呼吸減少、膜電位降低、氧化應(yīng)激水平升高時(shí)均會(huì)誘導(dǎo)線粒體質(zhì)量異常而加速衰老和疾病的進(jìn)展[3-4]。此外，異常的線粒體形態(tài)學(xué)改變甚至?xí)?yán)重影響線粒體功能和線粒體自噬活性，導(dǎo)致異常線粒體的過(guò)度堆積而誘發(fā)細(xì)胞凋亡。隨著研究的增加，Res可能作為一種有效的干預(yù)方式，通過(guò)調(diào)控線粒體的生物合成、分裂與融合、線粒體自噬等途徑來(lái)改善線粒體質(zhì)量。本文主要從Res在線粒體質(zhì)量調(diào)控中的作用和使用劑量進(jìn)行系統(tǒng)綜述，為更好地使用Res調(diào)控線粒體質(zhì)量緩解代謝、神經(jīng)相關(guān)疾病提供一定的理論參考(圖1)。

圖1 Res在線粒體質(zhì)量調(diào)控中的作用

1 線粒體質(zhì)量控制

線粒體作為細(xì)胞內(nèi)主要的能量轉(zhuǎn)換器，可通過(guò)調(diào)節(jié)自身的生物合成、融合與分裂，以及清除衰老和損傷線粒體而達(dá)到維持線粒體數(shù)量和質(zhì)量的作用。線粒體質(zhì)量控制主要通過(guò)線粒體的生物發(fā)生產(chǎn)生功能良好的新生線粒體，而損傷的線粒體則通過(guò)彼此間的融合后分裂產(chǎn)生健康和待清除的線粒體，以便及時(shí)清除異常線粒體而減少對(duì)細(xì)胞正常功能的影響。其中，機(jī)體能量需求旺盛會(huì)誘導(dǎo)線粒體的生物合成的發(fā)生，而過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子-1α(Peroxisome proliferators-activated reptory coactivator-1α，PGC-1α)在線粒體生物發(fā)生過(guò)程中扮演著重要的角色，可提高線粒體DNA(mtDNA)水平和線粒體數(shù)量。線粒體的融合與分裂過(guò)程是線粒體動(dòng)力學(xué)主要部分，并由一系列蛋白參與調(diào)節(jié)線粒體膜結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，如視神經(jīng)萎縮癥蛋白1(opticatrophy 1, OPA1)、線粒體融合蛋白1和2(mitofusion 1/2, Mfn 1/2)、線粒體動(dòng)力相關(guān)蛋白1(dynamin-related protein 1, Drp 1)、動(dòng)力學(xué)蛋白2(dynamin-2, Dyn 2)、線粒體分裂蛋白1(fission 1, Fis1)等。而線粒體膜結(jié)構(gòu)的破壞會(huì)引起線粒體間隙或基質(zhì)中促凋亡因子的釋放，會(huì)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的發(fā)生，如細(xì)胞色素C(Cytochrome c，Cyt-c)等。線粒體分裂出的異常線粒體通過(guò)自噬途徑進(jìn)行降解，健康線粒體則繼續(xù)參與正常的生理活動(dòng)。在線粒體自噬的過(guò)程中，由線粒體誘導(dǎo)的自噬標(biāo)記、自噬囊泡的包裹和與溶酶體結(jié)合來(lái)完成，主要由BNIP3(BCL2/adenovirus E1B 19 ku interacting protein 3, BNIP3)/Nix(NIP3-like protein 3, Nix)、PINK1(PTEN-induced putative kinase protein 1, PINK1)/Parkin(Parkin protein, Parkin)、FUN14結(jié)構(gòu)域包含蛋白-1(FUN14 domain containing 1, FUNDC1)、微管相關(guān)蛋白1輕鏈3(Microtubule associated protein 1 light chain 3，LC3)、p62(Sequestosome 1, p62)等線粒體自噬關(guān)鍵調(diào)節(jié)蛋白完成。

2 Res在調(diào)控線粒體質(zhì)量中的相關(guān)機(jī)制

Res作為一種植物次生代謝產(chǎn)物，其抗氧化、抗衰老以及提高運(yùn)動(dòng)能力等作用可能是通過(guò)改善機(jī)體線粒體質(zhì)量而實(shí)現(xiàn)，且在線粒體的各個(gè)階段均存在積極的調(diào)控作用而有利于體內(nèi)線粒體的及時(shí)更替。

2.1 Res與線粒體的生物發(fā)生

新生線粒體形成過(guò)程即線粒體的生物發(fā)生，主要由細(xì)胞核基因與mtDNA相互作用共同組成。而PGC-1α作為線粒體生物發(fā)生的重要調(diào)節(jié)蛋白，能夠促進(jìn)核基因與mtDNA轉(zhuǎn)錄來(lái)協(xié)調(diào)線粒體生物發(fā)生。正常表達(dá)的PGC-1α可提高如核轉(zhuǎn)錄因子NF-E2相關(guān)因子1/2(Nuclear respiratory factor-1/2, NRF1/2)和線粒體轉(zhuǎn)錄因子A(Mitochondrial transcription factor A, TFAM)等轉(zhuǎn)錄水平而促進(jìn)線粒體生物發(fā)生。而鈍化PGC-1α蛋白會(huì)導(dǎo)致線粒體基因表達(dá)降低、活性下降并出現(xiàn)線粒體機(jī)能不良。雖然目前研究發(fā)現(xiàn)PGC-1α在人、小鼠和大鼠的不同肌纖維中存在差異，但值得注意的是PGC-1α蛋白水平通常與線粒體數(shù)量成正比。

隨著研究增多，發(fā)現(xiàn)Res在促進(jìn)線粒體生物發(fā)生中具有與運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練相似的效果。Res可通過(guò)激活PGC-1α信號(hào)通路提升Nrf-1、TFAM、mtDNA等水平參與線粒體生物發(fā)生的調(diào)控[5]。相關(guān)RNA-seq分析也顯示出Res導(dǎo)致的轉(zhuǎn)錄本變化與mtDNA存在密切關(guān)聯(lián)[6]。Res作為SIRT1(Silent mating type information regulation 2 homolog-1, SIRT1)的激活劑可通過(guò)SIRT1/PGC-1α通路參與線粒體生物發(fā)生的調(diào)節(jié)。Res還可通過(guò)影響miR-27b水平來(lái)激活SIRT1參與調(diào)節(jié)線粒體質(zhì)量控制[7]。但SIRT1基因敲除相關(guān)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，適量的Res的添加似乎可以獨(dú)立于SIRT1而達(dá)到促進(jìn)線粒體的生物發(fā)生的作用[8]。但目前所了解的Res促進(jìn)線粒體的生物發(fā)生主要與SIRT1/PGC-1α途徑有關(guān)，而通過(guò)Res誘導(dǎo)miRNA和獨(dú)立于SIRT1在促進(jìn)線粒體生物發(fā)生的相關(guān)研究報(bào)道有限，還有待進(jìn)一步研究。

2.2 Res與線粒體的融合與分裂

線粒體的融合與分裂即兩個(gè)線粒體的結(jié)合與單個(gè)線粒體分為兩個(gè)的過(guò)程，也是線粒體動(dòng)力學(xué)的主要組成部分。線粒體融合由Mfn1和Mfn2連接兩個(gè)獨(dú)立的線粒體完成線粒體外膜融合，OPA1誘導(dǎo)內(nèi)膜融合。Drp1在線粒體分裂時(shí)主要負(fù)責(zé)線粒體分裂過(guò)程的形態(tài)改變，最終由Dyn2完成線粒體分裂。研究發(fā)現(xiàn)在神經(jīng)、代謝以及癌癥中均出現(xiàn)線粒體動(dòng)力學(xué)的異常改變，同時(shí)也可能是相關(guān)疾病的潛在治療靶點(diǎn)。如肥胖和2型糖尿病患者骨骼肌線粒體Mfn2的表達(dá)降低，腫瘤細(xì)胞Drp1異?；钴S導(dǎo)致的線粒體分裂增加，并且Drp1、Mfn1/2和OPA1與神經(jīng)系統(tǒng)病變也存在緊密聯(lián)系[9-10]。

相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明Res可通過(guò)TyrRS/PARP-1分子通路和提高線粒體融合相關(guān)蛋白(如Mfn1/2、OPA1)達(dá)到抑制線粒體斷裂的作用[11]。Res以依賴(lài)Drp1的方式改善了衰老心機(jī)細(xì)胞線粒體的延伸，且通過(guò)調(diào)節(jié)線粒體動(dòng)力學(xué)緩解氧化應(yīng)激導(dǎo)致的線粒體損傷[12]。同時(shí)，Res還可通過(guò)上調(diào)線粒體融合相關(guān)蛋白的表達(dá)以減少細(xì)胞凋亡而緩解疾病進(jìn)展[13]。如在視網(wǎng)膜損傷中通過(guò)增加SIRT1、OPA1和Fis1 mRNA水平調(diào)節(jié)線粒體質(zhì)量達(dá)到改善視力的作用[14]，以及通過(guò)調(diào)控線粒體動(dòng)力學(xué)改變而逆轉(zhuǎn)衰老以及干細(xì)胞活力的下降[15]。但是也有研究發(fā)現(xiàn)，Res可抑制線粒體的過(guò)度融合與分裂的發(fā)生。例如，抑制糖尿病小鼠骨骼肌線粒體的融合與分裂以及自噬異常[16]。也可通過(guò)激活miR-326/pkm2誘導(dǎo)線粒體過(guò)度分裂，甚至凋亡的發(fā)生[17]。

由上可知，Res可通過(guò)上調(diào)線粒體融合相關(guān)mRNA和蛋白促進(jìn)線粒體融合的發(fā)生，而單一的線粒體融合促進(jìn)并不一定有利于細(xì)胞功能改善。也有文獻(xiàn)[18-19]報(bào)道，Res在癌癥相關(guān)治療中可促進(jìn)線粒體分裂導(dǎo)致癌細(xì)胞凋亡的發(fā)生，其主要原因可能是Res的使用和劑量存在模型差異。

2.3 Res調(diào)控線粒體自噬

線粒體自噬主要負(fù)責(zé)及時(shí)清除老化損傷的線粒體來(lái)保證細(xì)胞內(nèi)線粒體質(zhì)量以維持機(jī)體的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。其中PINK1/Parkin通路和線粒體自噬介導(dǎo)受體Bnip3/Nix、FUNDC1等是誘導(dǎo)線粒體自噬的主要途徑。線粒體自噬與機(jī)體能量供應(yīng)和運(yùn)動(dòng)能力有著密切聯(lián)系，當(dāng)線粒體自噬發(fā)生障礙會(huì)導(dǎo)致受損線粒體的堆積和細(xì)胞凋亡的發(fā)生，甚至?xí)T導(dǎo)包括神經(jīng)系統(tǒng)和骨骼肌等相關(guān)疾病的發(fā)生，如帕金森綜合征、阿爾茲海默病等。線粒體的及時(shí)清除可降低ROS水平，預(yù)防炎癥、Tau蛋白過(guò)度磷酸化以及β-淀粉樣蛋白堆積等緩解神經(jīng)細(xì)胞損傷[20]。

研究發(fā)現(xiàn)，Res在調(diào)控線粒體自噬中涉及多個(gè)分子信號(hào)通路，可明顯促進(jìn)細(xì)胞自噬水平的提升，同時(shí)檢測(cè)到自噬相關(guān)蛋白表達(dá)的改變。例如，LC3-II/LC3-I、Parkin和Beclin1水平的顯著增加和p62的減少等。在細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)Res的添加明顯提高了LC3-II水平和自噬體的數(shù)量[21]。除此以外，Res還可通過(guò)激活SIRT1/PGC-1α/HIF-1α信號(hào)通路提升缺氧狀態(tài)下自噬水平加速異常線粒體的清除，減少缺氧導(dǎo)致的線粒體功能障礙和細(xì)胞凋亡，以及Res通過(guò)p38和細(xì)胞外調(diào)節(jié)激酶(ERK)信號(hào)通路誘導(dǎo)自噬清除損傷線粒體達(dá)到保護(hù)細(xì)胞的作用[12]。值得注意的是Res明顯改善心肌細(xì)胞線粒體異常堆積，但在衰老心肌細(xì)胞線粒體中卻降低了Parkin和PINK1的磷酸化水平，甚至出現(xiàn)抑制LC3-II的增加[22]。因此，Res在不同組織或模型中線粒體自噬過(guò)程中可能存在差異性調(diào)控。但Res在如Bnip3/Nix、FUNDC1等介導(dǎo)的線粒體自噬過(guò)程中的作用鮮有報(bào)道，具體機(jī)制尚不清楚。

3 Res劑量對(duì)不同模型線粒體的相關(guān)影響

隨著更深入的研究，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)Res對(duì)線粒體在不同的組織和模型中的作用存在一定差異，可能也與使用劑量、給藥方式以及輔助藥物和運(yùn)動(dòng)有關(guān)。表1中選取部分相同組織，如在骨骼肌中Res可有效促進(jìn)線粒體的生物發(fā)生、改善機(jī)體運(yùn)動(dòng)水平和抗衰老等作用，但未發(fā)現(xiàn)因飲食劑量過(guò)多而導(dǎo)致線粒體異常的報(bào)道。與此同時(shí)，在不同的病理模型中Res的作用也不同，如在糖尿病骨骼肌中有抑制自噬發(fā)生的作用，而在衰老性肌萎縮和杜氏肌營(yíng)養(yǎng)不良小鼠的骨骼肌中又可改善線粒體自噬水平的低下，說(shuō)明Res在不同的病理環(huán)境中的作用可能也存在差異，提示Res可能是一種自噬平衡的調(diào)節(jié)劑。在細(xì)胞培養(yǎng)中低劑量的Res可促進(jìn)線粒體質(zhì)量的改善，一旦超過(guò)一定的劑量范圍則會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞死亡的發(fā)生，且具有一定的劑量依賴(lài)性。有相關(guān)綜述統(tǒng)計(jì)[23-24]顯示：在細(xì)胞培養(yǎng)中Res濃度小于50 μmol/L，在胞內(nèi)線粒體質(zhì)量調(diào)控起到積極作用，但當(dāng)濃度大于50 μmol/L時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致線粒體損傷而誘導(dǎo)凋亡的發(fā)生；在神經(jīng)細(xì)胞培養(yǎng)中加入Res超過(guò)50 μmol/L時(shí)仍存在積極作用，而且對(duì)不同分化程度的神經(jīng)細(xì)胞作用效果也具有差異，可見(jiàn)其在神經(jīng)組織中的使用劑量和作用仍需進(jìn)一步探索。此外，在飲食和細(xì)胞培養(yǎng)中加入適量Res對(duì)神經(jīng)細(xì)胞的凋亡有一定的改善作用，但從飲食、腹腔注射和細(xì)胞培養(yǎng)的Res介入劑量來(lái)看，相差巨大。而當(dāng)Res在飲食干預(yù)時(shí)加入合適的生物堿類(lèi)以及配合有氧鍛煉與單獨(dú)的Res相比，對(duì)線粒體質(zhì)量控制表現(xiàn)出更佳的效果[25]。這可能與提高了生物利用率或起到一定的協(xié)助作用有關(guān)。Res也被認(rèn)為具有獨(dú)特的雙重作用，對(duì)正常細(xì)胞有保護(hù)作用，但對(duì)腫瘤細(xì)胞具有毒性?？赡芘cRes在改善線粒體質(zhì)量的同時(shí)也有利于有氧呼吸供能，并非與癌細(xì)胞主要的糖酵解供能方式有關(guān)，而有氧呼吸的改善是否影響代謝途徑達(dá)到間接抑癌作用還值得商榷[26]。但從目前的研究來(lái)看，使用Res來(lái)達(dá)到保健和防治疾病的作用可能需要根據(jù)疾病和個(gè)體吸收能力的不同進(jìn)行用藥量和入藥方式的調(diào)整，以及配合適量的鍛煉和協(xié)助藥物的補(bǔ)充從而達(dá)到較好的效果。

表1 白藜蘆醇劑量對(duì)線粒體質(zhì)量控制的影響

4 小結(jié)與展望

Res在疾病預(yù)防與治療的作用在不斷被挖掘，其通過(guò)調(diào)控線粒體生成、融合與分裂和線粒體自噬來(lái)改善線粒體質(zhì)量，因此Res可能通過(guò)調(diào)控線粒體質(zhì)量在線粒體誘導(dǎo)的相關(guān)疾病和衰老中存在潛在治療價(jià)值。但Res生物利用度較低，尋找增加機(jī)體吸收的輔助藥物、運(yùn)動(dòng)方式和給藥途徑具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。而在相關(guān)的研究中，Res的療效差異可能主要是在使用劑量、動(dòng)物模型以及干預(yù)時(shí)間等因素上存在差異。因此，篩選Res在調(diào)控線粒體質(zhì)量中的靶基因、microRNAs和蛋白值得進(jìn)行更深入的研究，這將有助于為線粒體異常導(dǎo)致的疾病提供精確的靶向干預(yù)療法的開(kāi)發(fā)。