線粒體動(dòng)力學(xué)、炎癥與2型糖尿病

阮鴻嬌，葛 婷，胡萬(wàn)祥，李金堯，宋成軍，陳志宏

（承德醫(yī)學(xué)院人體解剖學(xué)教研室，河北承德 067000）

胰島素抵抗與胰島B細(xì)胞功能障礙所致胰島素分泌量相對(duì)、絕對(duì)不足是2型糖尿?。╰ype 2 diabetes，T2DM）發(fā)病的兩個(gè)基本環(huán)節(jié)，貫穿于T2DM發(fā)生發(fā)展的整個(gè)過(guò)程，但T2DM特異性的病理基礎(chǔ)及伴隨T2DM的一系列代謝紊亂仍沒(méi)有確切的解釋[1]。近年來(lái)發(fā)現(xiàn)，線粒體動(dòng)力學(xué)（mitochondrial dynamics，mtDYN)、線粒體生物發(fā)生、線粒體自噬等過(guò)程是重要的質(zhì)量控制系統(tǒng)，在調(diào)控線粒體DNA的穩(wěn)定性、線粒體的氧化代謝、線粒體的形態(tài)和數(shù)量等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[2]。且研究發(fā)現(xiàn)，T2DM時(shí)線粒體動(dòng)力學(xué)發(fā)生了明顯變化，參與了胰島素抵抗的進(jìn)展和T2DM的發(fā)病，并與糖尿病并發(fā)癥的發(fā)生發(fā)展也密切相關(guān)[3-5]。另外，T2DM也被公認(rèn)為一種慢性低度炎癥狀態(tài)，發(fā)病過(guò)程中伴隨著炎癥因子水平的升高，因此也被稱(chēng)之為“代謝性炎癥”[6]。目前，相關(guān)研究也證明，線粒體動(dòng)力學(xué)蛋白表達(dá)的失衡和整體水平的下調(diào)與炎癥的發(fā)生有關(guān)[7,8]，由此考慮T2DM、線粒體動(dòng)力學(xué)、炎癥之間可能存在某種關(guān)聯(lián)。本文就線粒體動(dòng)力學(xué)、炎癥與T2DM的關(guān)系進(jìn)行綜述，以期為豐富T2DM發(fā)生發(fā)展機(jī)制的研究提供資料，進(jìn)而為T(mén)2DM開(kāi)拓新的治療領(lǐng)域提供依據(jù)。

1 線粒體動(dòng)力學(xué)

1.1 線粒體動(dòng)力學(xué)的定義

在大多數(shù)細(xì)胞類(lèi)型中，線粒體是一種高度動(dòng)態(tài)化的管狀互連網(wǎng)絡(luò)細(xì)胞器。在不同生理活動(dòng)時(shí)及外界環(huán)境的刺激下，線粒體維持著持續(xù)融合和分裂的動(dòng)態(tài)循環(huán)，即進(jìn)行由長(zhǎng)的互相連接網(wǎng)絡(luò)狀向不連接的碎片狀的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換，線粒體以相互連接的、中間形態(tài)的、碎片狀的形式混合存在，這種維持線粒體穩(wěn)態(tài)的過(guò)程即為線粒體動(dòng)力學(xué)[9]。

1.2 線粒體動(dòng)力學(xué)的分子機(jī)制

在正常情況下，線粒體的分裂和融合是由線粒體內(nèi)外膜上的鳥(niǎo)苷三磷酸酶（gtpase）在其他線粒體蛋白的幫助下完成的。線粒體融合是兩個(gè)線粒體結(jié)合形成一個(gè)新的線粒體，損傷的線粒體可通過(guò)與正常的線粒體融合來(lái)進(jìn)行修復(fù)；線粒體分裂的特征是一個(gè)線粒體分裂為兩個(gè)子線粒體，此時(shí)線粒體功能障礙的部分可通過(guò)裂變分離后選擇性地靶向自噬，阻止釋放促凋亡蛋白來(lái)保護(hù)細(xì)胞免于凋亡[10]。融合過(guò)程由定位于線粒體外膜的有絲分裂融合蛋白1（mitotic fusion protein，Mfn1）和有絲分裂融合蛋白2（mitotic fusion protein2，Mfn2），以及位于線粒體內(nèi)膜的視神經(jīng)萎縮蛋白1（optic atrophy protein 1，OPA1），分別介導(dǎo)線粒體外膜（outer mitochondrial membrane，OMM）融合（主要參與線粒體外膜的調(diào)控）與線粒體內(nèi)膜（inner mitochondrial membrane，IMM）融合（主要參與線粒體內(nèi)膜和嵴的調(diào)控）[11]。

線粒體分裂主要由存在于細(xì)胞質(zhì)的動(dòng)力相關(guān)蛋白1（dynamin related protein 1，Drp1）和定位于線粒體外膜的線粒體分裂蛋白1（mitochondrial fission protein 1，F(xiàn)is1）介導(dǎo)。Drp1通過(guò)PKA介導(dǎo)的絲氨酸637（Ser637）磷酸化維持在胞質(zhì)中，而Drp1中絲氨酸616（Ser616）的磷酸化可導(dǎo)致線粒體分裂。Fis1可通過(guò)胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域招募Drp1于線粒體外膜上發(fā)揮作用[12]，但對(duì)于人機(jī)體內(nèi)Fis1功能的研究仍存在爭(zhēng)議。一方面，F(xiàn)is1基因敲除可增加線粒體微管的相互連接，F(xiàn)is1基因的過(guò)度表達(dá)可增加線粒體碎片；另一方面，有研究證明，人Fis1基因沉默或過(guò)度表達(dá)對(duì)Drp1的激活沒(méi)有影響或僅起次要作用[13,14]。其他介導(dǎo)Drp1募集的蛋白還包括線粒體裂變因子（mitochondrion fission factor，MFF）、線粒體動(dòng)態(tài)蛋白49kda[MiD49，也稱(chēng)為線粒體伸長(zhǎng)因子2（mitochondrial elongation factor 2, MIEF2)]和線粒體動(dòng)態(tài)蛋白51kda[MiD51，也稱(chēng)為線粒體伸長(zhǎng)因子1（mitochondrial elongation factor 1, MIEF1)]，后者在沒(méi)有Fis1和MFF的情況下亦可以介導(dǎo)線粒體分裂。MFF和Fis1各自獨(dú)立發(fā)揮作用，MFF募集Drp1促進(jìn)線粒體分裂的作用也強(qiáng)于Fis1，但MFF與Fis1的部分作用可以相互替代以調(diào)節(jié)線粒體的形態(tài)。線粒體伸長(zhǎng)因子1/2[MIEF1/2（MiD51/49）]和MFF可以協(xié)同或各自獨(dú)立地募集Drp1促進(jìn)線粒體分裂，其中MFF與MIEF1/2的協(xié)同作用比較關(guān)鍵[15]。在協(xié)同作用中，低至中水平的MIEF表達(dá)可以增強(qiáng)MFF結(jié)合Drp1的能力，促進(jìn)線粒體分裂；但是高水平的MIEF1/2表達(dá)會(huì)螯合Drp1，阻止Drp1與MFF結(jié)合，從而抑制裂變并導(dǎo)致嚴(yán)重的線粒體融合[16]。MIEF1/2在線粒體分裂中起著主導(dǎo)作用，其表達(dá)水平的高低決定了線粒體分裂和融合的平衡。

1.3 線粒體動(dòng)力學(xué)與胰島B細(xì)胞

線粒體動(dòng)力學(xué)對(duì)葡萄糖刺激的胰島B細(xì)胞分泌胰島素至關(guān)重要，B細(xì)胞線粒體動(dòng)力學(xué)的改變被認(rèn)為是T2DM發(fā)生的誘因。在胰島素瘤細(xì)胞（INS-1）和小鼠胰島中下調(diào)Drp1后，不僅線粒體的形態(tài)由最初以中等程度相互連接的均一線粒體網(wǎng)絡(luò)向高度異質(zhì)性轉(zhuǎn)變，線粒體呈現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)、簇狀和環(huán)狀，并且線粒體分裂水平隨之下降后，糖酵解底物也減少，線粒體膜電位和ATP生成顯著降低，葡萄糖刺激的胰島素分泌也顯著減少；同時(shí)，因Drp1表達(dá)的下調(diào)，線粒體融合蛋白的表達(dá)也隨之降低，即Mfn1、Mfn2和OPA1的表達(dá)降低，線粒體動(dòng)力學(xué)的整體水平下降，可能也導(dǎo)致了胰島素分泌的減少[17,18]。可見(jiàn)，Drp1在胰島B細(xì)胞中的表達(dá)對(duì)于維持胰島素的分泌至關(guān)重要。

Fis1是胰島B細(xì)胞的一個(gè)關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，葡萄糖刺激的胰島素分泌和線粒體動(dòng)力學(xué)都依賴(lài)于Fis1的精確表達(dá)水平。在原代培養(yǎng)的小鼠胰島B細(xì)胞中，F(xiàn)is1過(guò)度表達(dá)抑制了葡萄糖刺激的胰島素的分泌，原因是營(yíng)養(yǎng)依賴(lài)性的線粒電位（ΔΨm）超極化減弱，胞漿和線粒體鈣信號(hào)減少、線粒體ATP產(chǎn)生減少[19]。另外，F(xiàn)is1的表達(dá)水平還可影響INS-1細(xì)胞對(duì)葡萄糖的反應(yīng)性，進(jìn)而使葡萄糖刺激的胰島素分泌減少。經(jīng)慢病毒轉(zhuǎn)染建立Fis1表達(dá)下調(diào)和上調(diào)的INS-1細(xì)胞模型：（1）INS-1細(xì)胞株克隆的對(duì)葡萄糖無(wú)反應(yīng)細(xì)胞：INS-1 832/2。INS-1832/2細(xì)胞過(guò)表達(dá)Fis1增強(qiáng)了細(xì)胞對(duì)葡萄糖的反應(yīng)性和胰島素分泌能力，并改善了線粒體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。（2）INS-1細(xì)胞株克隆的對(duì)葡萄糖反應(yīng)增加的細(xì)胞：INS-1 832/13細(xì)胞。INS-1 832/13細(xì)胞下調(diào)Fis1的表達(dá)可減弱細(xì)胞對(duì)葡萄糖的反應(yīng)和胰島素分泌能力，并誘導(dǎo)了更為拉長(zhǎng)的簇狀線粒體[20,21]。因此，F(xiàn)is1的適量表達(dá)是胰島B細(xì)胞分泌胰島素的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。

在大鼠胰島素瘤細(xì)胞（INS-1E細(xì)胞）中用腺病毒誘導(dǎo)野生型Mfn1（WT-Mfn1）過(guò)度表達(dá)，可導(dǎo)致線粒體嚴(yán)重融合后線粒體功能紊亂、線粒體運(yùn)動(dòng)減弱、細(xì)胞ATP生成減少，乳酸產(chǎn)生增加，胰島素釋放減少；顯性陰性突變體Mfn1（DN-Mfn1）過(guò)表達(dá)導(dǎo)致線粒體破碎，但未改變線粒體的運(yùn)動(dòng)性、線粒體的超極化、細(xì)胞的ATP水平、細(xì)胞對(duì)葡萄糖的分泌反應(yīng)及胰島素的分泌[22]。Mfn2特異性敲除則顯示線粒體斷裂、生物能量學(xué)功能障礙、胰島素分泌缺陷[23]；而另有研究提示，Mfn2的表達(dá)可防止DNA損傷、氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡等[24]。

OPA1對(duì)維持胰島B細(xì)胞的電子傳輸鏈（ETC）復(fù)合物IV具有重要作用。OPA1基因敲除的胰島B細(xì)胞ETC復(fù)合物IV活性降低，葡萄糖刺激的ATP生成減少，胰島素分泌減少，但OPA1下調(diào)后如何使ECT復(fù)合物IV活性降低還有待確定[25]。

融合及分裂蛋白表達(dá)的上調(diào)和下調(diào)不僅改變了線粒體的形態(tài)及功能，并且蛋白本身的變化也可通過(guò)影響線粒體的運(yùn)動(dòng)、生物能量效率、活性氧（ROS）的產(chǎn)生、線粒體鈣穩(wěn)態(tài)等改變胰島B細(xì)胞的胰島素分泌功能和胰島B細(xì)胞的凋亡[26]。

1.4 線粒體動(dòng)力學(xué)與炎癥反應(yīng)

用脂多糖（LPS）刺激BV-2小膠質(zhì)細(xì)胞后，Drp1在線粒體募集量增加，并伴隨著Drp1中Ser637的去磷酸化，通過(guò)上調(diào)ROS激活了小膠質(zhì)細(xì)胞中核轉(zhuǎn)錄因子κB（NF-κB）和絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）及各種炎性介質(zhì)的表達(dá)；Drp1敲除或使用線粒體分裂抑制劑（Mdivi-1）則會(huì)產(chǎn)生相反作用，提示線粒體動(dòng)力學(xué)可能是控制活化小膠質(zhì)細(xì)胞中促炎性介質(zhì)生成的必要條件[27]。

RNA病毒感染人白血病細(xì)胞系（THP-1）后，可通過(guò)促使絲氨酸蘇氨酸激酶1（RIPK1）與絲氨酸蘇氨酸激酶3（RIPK3）形成復(fù)合物后激活Drp1，即通過(guò)RIP1-RIP3-Drp1信號(hào)通路促進(jìn)線粒體分裂、ROS產(chǎn)生及激活NLRP3炎癥小體[28]。NLRP3炎性小體除了在宿主抵抗病原體的防御中起關(guān)鍵作用外，還與多種炎癥性疾病相關(guān)。NLRP3炎癥小體誘導(dǎo)的白細(xì)胞介素1β（IL-1β）在肥胖和糖尿病的發(fā)生發(fā)展中起重要作用。IL-1β可通過(guò)降低胰島素受體底物-1（IRS-1）酪氨酸磷酸化和胰島素受體底物-1（IRS-1）基因的表達(dá)，直接抑制胰島素信號(hào)傳導(dǎo)途徑，降低胰島素敏感性[29]。

目前認(rèn)為線粒體動(dòng)力學(xué)分裂蛋白增加可調(diào)節(jié)ROS及炎癥介質(zhì)的表達(dá)發(fā)揮促炎作用，ROS及炎癥介質(zhì)又可通過(guò)對(duì)線粒體融合和分裂蛋白的翻譯后調(diào)控，引起線粒體動(dòng)力學(xué)失衡促進(jìn)炎癥反應(yīng)[30,31]。因此認(rèn)為線粒體動(dòng)力學(xué)與炎癥反應(yīng)互為因果，但線粒體動(dòng)力學(xué)蛋白調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激介質(zhì)與炎癥介質(zhì)的機(jī)制還不清楚。

2 2型糖尿病

T2DM的一個(gè)典型特征是胰島素抵抗，伴隨著胰島素抵抗常出現(xiàn)胰島B細(xì)胞分泌障礙，導(dǎo)致了持續(xù)的高血糖，但胰島素抵抗的發(fā)生機(jī)制不甚明確。目前認(rèn)為，炎癥、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和線粒體功能障礙等是胰島素抵抗的關(guān)鍵機(jī)制。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與炎癥反應(yīng)可相互作用、相互激活，并且炎癥過(guò)程中ROS產(chǎn)生過(guò)多可引起氧化應(yīng)激，促使線粒體功能障礙（主要表現(xiàn)為線粒體動(dòng)力學(xué)蛋白表達(dá)的異常），線粒體功能障礙又可進(jìn)一步增加ROS的產(chǎn)生，從而加重炎癥反應(yīng)與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，加劇外周組織胰島素抵抗。相關(guān)研究顯示，線粒體動(dòng)力學(xué)與炎癥在一些病理變化中互為因果關(guān)系，此因果關(guān)系是否也與胰島素分泌異常及外周組織胰島素抵抗的發(fā)生有關(guān)，值得進(jìn)一步探討[32-34]。

2.1 胰島素抵抗與炎癥反應(yīng)

炎癥反應(yīng)在胰島素抵抗的發(fā)生發(fā)展中起著重要作用，是導(dǎo)致T2DM的主要原因之一。炎癥反應(yīng)通過(guò)各種轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)的分子途徑、氧化應(yīng)激反應(yīng)等激活各種促炎癥介質(zhì)，特別是細(xì)胞因子、趨化因子和脂肪因子等，如白細(xì)胞介素-1β（IL-1β）、白細(xì)胞介素-6（IL-6）、腫瘤壞死因子α（TNF-α）、大量趨化因子和脂肪因子，這些介質(zhì)通過(guò)干擾胰島素信號(hào)通路從而誘導(dǎo)胰島素抵抗[35]。胰島素抵抗時(shí)胰島B細(xì)胞和外周組織中的氧化應(yīng)激反應(yīng)加強(qiáng)，胰島B細(xì)胞分泌胰島素的功能受損，外周組織對(duì)胰島素的敏感性進(jìn)一步降低[36,37]。

各種類(lèi)型的炎癥介質(zhì)可通過(guò)激活JNK和NF-κB途徑，減少組織胰島素介導(dǎo)的葡萄糖攝取和胰島素信號(hào)傳導(dǎo)。NF-κB能激活誘導(dǎo)型一氧化氮合酶（iNOS）的表達(dá)，從而誘導(dǎo)IRS-1的S-亞硝基化。IRS-1的S-亞硝基化和絲氨酸磷酸化均抑制胰島素信號(hào)通路的酪氨酸磷酸化，從而最終誘導(dǎo)肝臟、脂肪細(xì)胞和骨骼肌產(chǎn)生胰島素抵抗。此外，JNK和NF-κB通路的激活也促進(jìn)了多種促炎介質(zhì)如TNF-α、IL-6的上調(diào)，進(jìn)一步加重胰島素抵抗，加速T2DM的發(fā)生發(fā)展[38,39]。

另外，在糖尿病患者和糖尿病動(dòng)物模型的胰島B細(xì)胞中均發(fā)現(xiàn)線粒體的形態(tài)和功能發(fā)生了改變，T2DM患者胰島B細(xì)胞線粒體小于健康對(duì)照組，并且心臟、肝臟和心血管等器官的線粒體也發(fā)生了分裂[35]。因此認(rèn)為，T2DM可能是一種與線粒體動(dòng)力學(xué)異常相關(guān)的慢性炎性疾病。

2.2 線粒體動(dòng)力學(xué)介導(dǎo)胰島B細(xì)胞凋亡

現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，高糖誘導(dǎo)的線粒體分裂增強(qiáng)是鈣離子激活細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1/2（ERK1/2）作用的結(jié)果，線粒體分裂增強(qiáng)促進(jìn)ROS增加，通過(guò)ROS介導(dǎo)炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致線粒體通透性增加、磷脂酰絲氨酸暴露、細(xì)胞色素c釋放增加和caspase活化，從而促進(jìn)胰島B細(xì)胞及其他細(xì)胞的凋亡。抑制持續(xù)高糖條件下的線粒體分裂可使細(xì)胞ROS水平恢復(fù)正常，炎性介質(zhì)減少并防止線粒體通透性發(fā)生改變和細(xì)胞凋亡[40,41]。據(jù)此分析，線粒體動(dòng)力學(xué)分裂蛋白升高可能通過(guò)促炎作用促進(jìn)胰島B細(xì)胞凋亡，促炎作用的具體機(jī)制、相關(guān)通路，ROS是否為唯一的介質(zhì)有待進(jìn)一步探討。

2.3 線粒體動(dòng)力學(xué)調(diào)節(jié)外周胰島素抵抗

攜帶T2D易感基因型線粒體DNA單倍體B4的雜交細(xì)胞（DM cybrid），過(guò)表達(dá)Mfn1/Mfn2或敲除Drp1/Fis1后線粒體融合增強(qiáng)，線粒體氧化應(yīng)激減輕，易位到細(xì)胞膜的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白異構(gòu)體（GLUT1/ GLUT4）增加，細(xì)胞對(duì)葡萄糖的攝取能力增強(qiáng)，從而改善了對(duì)胰島素的敏感性[42]。在高脂飲食條件下，肝臟特異性敲除Mfn1因啟動(dòng)代償機(jī)制使胰島素的敏感性升高，Mfn1敲除增加了ECT復(fù)合物I的表達(dá)，同時(shí)伴隨Mfn2和線粒體動(dòng)力學(xué)其他蛋白的補(bǔ)償性增加，如OPA1、Drp1和MFF等；在高脂飲食條件下，肝臟特異性敲除Mfn2后糖異生增多，葡萄糖耐量受損，血漿胰島素水平升高，出現(xiàn)胰島素抵抗，但褐色脂肪組織特異性敲除Mfn2卻可以改善胰島素抵抗，抑制線粒體分裂可以改善骨骼肌的胰島素信號(hào)傳導(dǎo)和胰島素敏感性，提示線粒體動(dòng)力學(xué)的失衡可能是T2DM骨骼肌胰島素抵抗的發(fā)病機(jī)制[44]。

3 小結(jié)

眾所周知，T2DM是一種炎癥相關(guān)性疾病，而線粒體動(dòng)力學(xué)蛋白的表達(dá)對(duì)胰島B細(xì)胞的凋亡及外周胰島素抵抗起關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用。有研究表明，線粒體動(dòng)力學(xué)的失衡與炎癥反應(yīng)的發(fā)生互為因果。同時(shí)，現(xiàn)有研究也發(fā)現(xiàn)胰島B細(xì)胞凋亡和外周胰島素抵抗的可能原因是，線粒體動(dòng)力學(xué)分裂蛋白表達(dá)升高增加了炎癥因子的表達(dá)，并且通過(guò)抑制線粒體動(dòng)力學(xué)分裂蛋白的表達(dá)、升高融合蛋白的表達(dá)可改善上述情況。但是，線粒體動(dòng)力學(xué)融合蛋白的升高是否以及如何通過(guò)抗炎作用減少炎癥因子的表達(dá)，來(lái)改善胰島素抵抗及減少胰島B細(xì)胞凋亡還未明確。因此，以線粒體動(dòng)力學(xué)蛋白為研究靶點(diǎn)，通過(guò)上調(diào)線粒體融合蛋白、下調(diào)線粒體分裂蛋白發(fā)揮抗炎作用減少炎癥因子的表達(dá)，改善胰島素抵抗及胰島B細(xì)胞的功能障礙，可能對(duì)T2DM的發(fā)病發(fā)展機(jī)制的認(rèn)識(shí)及治療藥物的研發(fā)起到一定作用。