線粒體動力學(xué)與2型糖尿病胰島素抵抗相關(guān)性的研究進展

李軒，劉麗

(1.首都醫(yī)科大學(xué)第三臨床醫(yī)學(xué)院17級長學(xué)制臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)，北京 100020；2.首都醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院形態(tài)學(xué)實驗室，北京 100069)

隨著我國人口老齡化和人們生活方式的變化，糖尿病的患病率逐漸升高，截至2017年，糖尿病患病率已升至11.2%[1]。糖尿病以2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)為主，其主要特征是胰島素調(diào)控葡萄糖代謝能力的下降，即胰島素抵抗(insulin resis-tance，IR)，并伴隨胰島β細(xì)胞功能缺陷所導(dǎo)致的胰島素分泌減少或相對減少。其中線粒體動力學(xué)與IR密切聯(lián)系，且不同細(xì)胞類型和組織中的線粒體形態(tài)差異較大，并隨著外界損傷和代謝信號的改變而迅速變化[2]。胰島素的主要作用靶器官是骨骼肌，其主要功能是促進細(xì)胞葡萄糖攝取，肌肉IR對全身葡萄糖代謝有很大影響，是典型肥胖相關(guān)IR和T2DM的主要組成部分[3]。進食后，葡萄糖以糖原形式儲存在肝臟，空腹時肝臟產(chǎn)生葡萄糖，其中糖異生可以通過底物供應(yīng)、氧化還原狀態(tài)、糖異生基因轉(zhuǎn)錄和其他機制調(diào)節(jié)葡萄糖穩(wěn)態(tài)，影響IR[4]。持續(xù)性肥胖、IR和T2DM患者的脂肪組織病理特征是輕度慢性炎癥，表現(xiàn)為巨噬細(xì)胞浸潤和分泌促炎癥細(xì)胞因子，可導(dǎo)致肥胖相關(guān)的IR和高血糖。此外，白色脂肪組織中的胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)也能夠調(diào)節(jié)肝臟糖異生，從而影響糖代謝[5]。而棕色脂肪組織在人體能量消耗、葡萄糖穩(wěn)態(tài)和胰島素敏感性中具有重要的生理作用，肥胖人群的棕色脂肪組織活性降低，且IR和血糖異常[6]?，F(xiàn)對不同組織中線粒體動力學(xué)與IR的關(guān)系及機制予以闡述，以總結(jié)線粒體動力學(xué)對治療T2DM的作用。

1 線粒體動力學(xué)

線粒體動力學(xué)包括線粒體分裂和融合兩個過程，線粒體的分裂和融合過程受到不同蛋白質(zhì)的調(diào)控，動力學(xué)失衡會導(dǎo)致線粒體形態(tài)、數(shù)量和功能異常。

線粒體分裂是指一個線粒體分裂成兩個子線粒體的多步驟過程。動力相關(guān)蛋白1(dynamin-related protein 1，DRP1)是一種胞質(zhì)定位GTP酶，由線粒體分裂1(mitochondrial fission 1，F(xiàn)IS1)募集到線粒體外膜上的分裂位點，并水解GTP[7]，促進Dynamin-2的組裝，進而Dynamin-2誘導(dǎo)膜分裂，以完成分裂[8]。線粒體表面的肌動蛋白聚合可以促進DRP1募集和線粒體分裂，其由肌動蛋白調(diào)節(jié)蛋白INF2(inverted formin 2)和肌動蛋白核蛋白Spire1C控制，Spire1C結(jié)合INF2并促進肌動蛋白在線粒體表面的組裝，從而促進線粒體分裂[9]，而肌動蛋白解聚蛋白Cofilin1是線粒體DRP1活性的負(fù)調(diào)節(jié)因子[10]。此外，線粒體分裂因子也可以介導(dǎo)DRP1募集[11]。

線粒體外膜的融合由線粒體融合蛋白(mitofusin，MFN)1和MFN2介導(dǎo)，線粒體內(nèi)膜的融合由視神經(jīng)萎縮-1(optic atrophy-1，OPA-1)介導(dǎo)，而蛋白酶水解OPA-1可以形成錨定在線粒體內(nèi)膜上的長型OPA-1和可溶的短型OPA-1兩種形式，通過這些蛋白的共同作用線粒體內(nèi)膜融合得以正常進行[12]。此外，翻譯后修飾也調(diào)節(jié)線粒體分裂和融合過程，如OPA-1在病理應(yīng)激下被過度乙?；?，降低了蛋白的GTP酶活性，而線粒體去乙?；改苁筄PA-1脫乙酰化并提高其GTP酶活性[13]。

2 線粒體動力學(xué)與IR

線粒體分裂或融合蛋白功能的增強或減弱均可以改變線粒體動力學(xué)平衡，導(dǎo)致線粒體結(jié)構(gòu)和數(shù)量異常，從而損傷線粒體功能和葡萄糖刺激胰島素釋放；隨著疾病的進展，當(dāng)線粒體不能代償過高的能量代謝時，則出現(xiàn)繼發(fā)性功能障礙[14]。

2.1骨骼肌線粒體動力學(xué)與IR 有研究表明，遺傳性肥胖和飲食性肥胖小鼠骨骼肌中線粒體裂變機制均增強，導(dǎo)致線粒體變小變短，而抑制DRP1可改善肥胖小鼠的肌肉胰島素信號和全身胰島素敏感性，表明異常的骨骼肌線粒體分裂與線粒體功能障礙和IR有關(guān)[15]。

骨骼肌L6肌管持續(xù)的營養(yǎng)過剩促進IκB激酶β-核因子κB途徑的激活，線粒體碎片增加3倍，MFN2信使RNA和蛋白質(zhì)豐度降低，細(xì)胞活性氧類增加，線粒體呼吸能力顯著降低，肌管內(nèi)胰島素作用受損，但通過藥理或基因抑制核因子κB活性可以改善線粒體呼吸功能/形態(tài)的紊亂，減少MFN2的丟失，并減輕活性氧類增加和肌管胰島素敏感性的相關(guān)降低[16]。此外，未經(jīng)治療的高脂飲食喂養(yǎng)大鼠骨骼肌出現(xiàn)線粒體動力學(xué)改變，表現(xiàn)為DRP1磷酸化增加以及MFN2表達減少[17]。

Prohibitin-2是一種線粒體支架蛋白，其通過調(diào)控OPA-1保持線粒體內(nèi)膜的完整性，當(dāng)其特異性缺失時，線粒體發(fā)生片段化，線粒體功能受損，導(dǎo)致胰島素釋放減少及胰島β細(xì)胞凋亡增加，葡萄糖耐量降低[18]。而OPA-1在分化骨骼肌中的作用不同，局部OPA-1蛋白水平的降低導(dǎo)致非致命性進行性的線粒體功能障礙和肌肉質(zhì)量損失，但可以通過局部激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激途徑和分泌成纖維細(xì)胞生長因子21作為肌動蛋白的機制抵抗年齡和飲食誘導(dǎo)的肥胖和IR，從而提高代謝率和改善全身胰島素敏感性[19]。

運動訓(xùn)練可以提高融合蛋白與分裂蛋白的比率，減少線粒體分裂和吞噬細(xì)胞，增加線粒體融合，促進更融合的管狀網(wǎng)絡(luò)，以改善胰島素敏感性[20]。腹腔鏡Roux-en-Y胃旁路術(shù)可能通過降低線粒體分裂蛋白DRP1磷酸化調(diào)節(jié)嚴(yán)重肥胖患者骨骼肌葡萄糖分配的固有代謝缺陷[21]。

2.2肝臟線粒體動力學(xué)與IR 高豬油飲食誘導(dǎo)肝臟脂肪堆積和IR，伴隨著MFN2表達減少、DRP1和FIS1增加以及氧化應(yīng)激的相關(guān)損害[22]。食用加糖飲料也能導(dǎo)致肝線粒體動力學(xué)改變，表現(xiàn)為線粒體裂變增加、融合減少，可能使機體長期面臨IR和T2DM的風(fēng)險[23]。有研究表明，小鼠肝臟特異性切除MFN2會損害肝臟中的胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，導(dǎo)致大量代謝異常，表現(xiàn)為葡萄糖不耐受和肝臟糖異生，同時 MFN2缺乏與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、過氧化氫水平升高和活性氧類改變有關(guān)，提示MFN2還能夠協(xié)調(diào)線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的功能，調(diào)節(jié)體內(nèi)胰島素信號和葡萄糖穩(wěn)態(tài)[24]。

在肝臟特異性大腦和肌肉ARNT樣蛋白-1(Bmal1)基因敲除肝細(xì)胞中，F(xiàn)IS1的過表達可以使FIS1表達正?；?，并通過降低活性氧類水平消除有絲分裂和質(zhì)量控制的阻滯，從而恢復(fù)線粒體的動態(tài)融合-分裂過程及代謝靈活性，改善脂肪肝和IR[25]。肝抗增殖蛋白2缺乏導(dǎo)致長型OPA-1蛋白水解過度、線粒體斷裂和凋亡增加，而長型OPA-1能促進線粒體過度呼吸和葡萄糖生成，控制糖異生[26]。

線粒體蛋白修飾的改變還可引起糖代謝異常[27]，如Sirtuins是一種依賴NAD+的蛋白質(zhì)脫乙?；福瑓⑴c新陳代謝、應(yīng)激反應(yīng)和衰老的調(diào)節(jié)。Sirtuins2在IR的肝細(xì)胞和肝臟中下調(diào)，并伴有活性氧類生成增加，而Sirtuins2的過表達可以增加MFN2、降低DRP1，從而減少活性氧類產(chǎn)生，并改善線粒體功能障礙，提高胰島素敏感性，可見，Sirtuins2激活劑可能是改善線粒體動力學(xué)的新靶點[28]。

此外，腸道微生物群在大腸中發(fā)酵產(chǎn)生的丁酸酯及其合成衍生物N-(1-氨甲酰-2-苯基-乙基)丁胺使肝臟的線粒體動力學(xué)向融合方向轉(zhuǎn)變，不僅可改善肝細(xì)胞的能量代謝，還可改善葡萄糖穩(wěn)態(tài)，被視為對抗IR的新治療策略[29]。

2.3神經(jīng)系統(tǒng)線粒體動力學(xué)與IR 下丘腦的弓狀核包含兩個不同的神經(jīng)元群：促食欲的神經(jīng)肽Y/刺鼠基因相關(guān)蛋白神經(jīng)元和厭食的原皮質(zhì)醇原(pro-opiomelanocortin，POMC)神經(jīng)元。禁食→喂食→過度進食的過程中，刺鼠基因相關(guān)蛋白神經(jīng)元的線粒體數(shù)量減少、大小增加，而選擇性地敲除細(xì)胞MFN1或MFN2能夠干擾刺鼠基因相關(guān)蛋白神經(jīng)元線粒體的融合機制，引發(fā)細(xì)胞線粒體大小和密度的改變，從而調(diào)節(jié)全身能量代謝[30]。在喂食狀態(tài)下，POMC神經(jīng)元中的DRP1表達減少，進而線粒體分裂減少。在過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proli-ferator-activated receptor，PPAR)調(diào)控下，POMC神經(jīng)元DRP1缺失小鼠的POMC神經(jīng)元線粒體的大小和活性氧類水平增加，瘦素敏感性和葡萄糖反應(yīng)性改善[31]。而POMC神經(jīng)元缺乏MFN1小鼠在快速喂養(yǎng)過渡期表現(xiàn)出線粒體結(jié)構(gòu)重構(gòu)缺陷和下丘腦基因表達程序減弱，葡萄糖敏感性改變、胰島β細(xì)胞的胰島素分泌缺陷，導(dǎo)致葡萄糖穩(wěn)態(tài)異常[32]。有研究表明，線粒體分裂抑制劑Mdivi-1抑制DRP1/FIS1，其通過激活胰島素受體底物1-蛋白激酶B通路以及誘導(dǎo)葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白1/葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白4易位到細(xì)胞膜來增強線粒體網(wǎng)絡(luò)并逆轉(zhuǎn)IR[33]。高糖環(huán)境導(dǎo)致脊髓相關(guān)神經(jīng)元線粒體分裂增多和分布異常，而線粒體分裂抑制劑Mdivi-1能顯著改善脊髓前角運動神經(jīng)元瘤細(xì)胞系細(xì)胞線粒體的紊亂，提示線粒體分裂抑制劑對糖尿病神經(jīng)病變也有積極意義[34]。此外，下丘腦腹內(nèi)側(cè)核在調(diào)節(jié)全身葡萄糖穩(wěn)態(tài)中起著重要作用，在解偶聯(lián)蛋白2的控制下，DRP1介導(dǎo)葡萄糖負(fù)荷導(dǎo)致的下丘腦腹內(nèi)側(cè)核神經(jīng)元線粒體分裂和活性氧類減少。類固醇生成因子1神經(jīng)元選擇性過表達解偶聯(lián)蛋白2小鼠表現(xiàn)出DRP1激活增強，促進線粒體分裂以及下丘腦腹內(nèi)側(cè)核神經(jīng)元活動，進而改善葡萄糖代謝[35]。

有研究發(fā)現(xiàn)，高脂肪喂養(yǎng)嚙齒類動物可以引起線粒體適應(yīng)性變化，大腦延髓迷走神經(jīng)背側(cè)復(fù)合體中DRP1激活可導(dǎo)致線粒體分裂增加。直接抑制DRP1可消除高脂喂養(yǎng)誘導(dǎo)的迷走神經(jīng)背側(cè)復(fù)合體線粒體分裂、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和IR，并可恢復(fù)肝葡萄糖生成調(diào)節(jié)。相反，健康嚙齒類動物迷走神經(jīng)背側(cè)復(fù)合體-DRP1的分子激活足以誘導(dǎo)其線粒體分裂、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和IR[36]。

2.4脂肪組織線粒體動力學(xué)與IR 敲除B細(xì)胞淋巴瘤/白血病-2/腺病毒E1B 19000相互作用蛋白3基因脂肪細(xì)胞的線粒體伸長平衡改變，促進了線粒體融合，導(dǎo)致呼吸能力受損、脂肪酸氧化相關(guān)線粒體活性氧類的生成增加，導(dǎo)致IR，且DRP1抑制劑Mdivi-1模擬了B細(xì)胞淋巴瘤/白血病-2/腺病毒E1B 19000相互作用蛋白3基因敲除對脂肪線粒體生物能和葡萄糖處理的影響。PPARγ是脂肪細(xì)胞主調(diào)節(jié)器和噻唑烷二酮類抗糖尿病藥物的受體，其可通過誘導(dǎo)脂肪線粒體網(wǎng)絡(luò)斷裂的關(guān)鍵效應(yīng)因子B細(xì)胞淋巴瘤/白血病-2/腺病毒E1B 19000相互作用蛋白3轉(zhuǎn)錄，控制線粒體網(wǎng)絡(luò)斷裂，提高胰島素敏感性并限制氧化應(yīng)激[37]。有研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤壞死因子-α能誘導(dǎo)3T3-L1細(xì)胞表達FIS1，并降低OPA-1的表達，導(dǎo)致IR發(fā)生，而PPARγ激動劑石榴酸能改善腫瘤壞死因子-α的作用，進而改善IR[38]。

棕色脂肪組織是適應(yīng)性產(chǎn)熱的主要場所，其活性與肥胖和代謝性疾病(如T2DM、血脂異常)的保護作用有關(guān)，主要存在于成年人類肩胛間和腎周區(qū)域，其活性在肥胖患者中受損[39]。棕色脂肪組織預(yù)防慢性代謝疾病的能力歸因于其利用葡萄糖和脂類進行產(chǎn)熱的能力，其中線粒體動力學(xué)的改變對棕色脂肪組織的功能也有一定影響。棕色脂肪組織中MFN2高表達可促進肥胖小鼠發(fā)生IR，MFN2缺失可以減少IR的發(fā)生[40]，其機制可能是MFN2高表達導(dǎo)致線粒體和脂滴偶聯(lián)，進而維持線粒體的氧化能力，而敲除MFN2能增強小鼠脂肪組織的可膨脹性，使糖酵解途徑獲得能量，進而影響脂肪分解過程和全身能量平衡[41]。此外，高脂飲食喂養(yǎng)后，棕色脂肪組織中線粒體的OPA-1增加，并伴有長型OPA-1和DRP1 Ser637磷酸化的增加，導(dǎo)致線粒體網(wǎng)絡(luò)更加融合，三酰甘油在脂滴中持續(xù)累積，迅速誘導(dǎo)棕色脂肪組織轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨窘M織，從而引發(fā)IR[42]。跨膜G蛋白偶聯(lián)膽汁酸受體5激動劑通過增加非酯化脂肪酸釋放，促進β氧化和解偶聯(lián)蛋白1依賴的產(chǎn)熱，并通過胞外信號調(diào)節(jié)激酶1-DRP1信號通路誘導(dǎo)線粒體分裂，改善線粒體呼吸，可能成為改善IR的新靶點[43]。而神經(jīng)酰胺合成酶6和線粒體分裂因子缺乏可在體外保護脂肪酸誘導(dǎo)的線粒體片段化，并且這兩種蛋白在肥胖誘導(dǎo)的線粒體斷裂和IR的發(fā)生中具有遺傳相互作用[44]。此外，在運動訓(xùn)練大鼠的棕色脂肪組織中，短型OPA-1和DRP1蛋白的表達增加，而長型OPA-1和MFN1的表達降低提示長期運動可以改善棕色脂肪組織的能量狀況，增加線粒體功能和胰島素敏感性[45]。

3 小 結(jié)

IR與線粒體動力學(xué)有密切聯(lián)系，但由于不同組織內(nèi)線粒體形態(tài)數(shù)量以及對糖代謝的影響不同，兩者的關(guān)系也不同，其中棕色脂肪組織較為特殊，線粒體融合可促使IR發(fā)生，誘導(dǎo)線粒體分裂則能改善IR，若通過靶向改變其線粒體動力學(xué)增加棕色脂肪組織內(nèi)的線粒體分裂，即可使肥胖導(dǎo)致T2DM患者的能量消耗增加，延緩病情發(fā)展甚至逆轉(zhuǎn)病情。骨骼肌、肝臟和神經(jīng)系統(tǒng)的線粒體動力學(xué)改變基本相似，線粒體分裂可促使IR發(fā)生，故誘導(dǎo)線粒體融合能改善IR。目前仍然缺乏通過靶向改變線粒體動力學(xué)治療T2DM的研究，有待深入研究。