線粒體融合蛋白Mfn2在糖尿病腎病中作用的研究進(jìn)展

李夢(mèng)婕，柯 本，龍 脈，房向東

(南昌大學(xué)第二附屬醫(yī)院 腎內(nèi)科，江西 南昌 330000)

糖尿病腎病(diabetic nephropathy,DN)是糖尿病微血管并發(fā)癥之一，也是終末期腎病的常見原因之一[1]。DN涉及腎小球、腎小管、間質(zhì)和血管等腎臟各個(gè)組成部分的形態(tài)和結(jié)構(gòu)損傷，對(duì)腎臟所有關(guān)鍵功能產(chǎn)生損害，其發(fā)生發(fā)展的機(jī)制復(fù)雜，至今仍未完全明確。高糖誘導(dǎo)的細(xì)胞損傷、活性氧(reactive oxygen species,ROS)產(chǎn)生、細(xì)胞凋亡都是DN中重要細(xì)胞事件[2-3]，故作為ROS生成主要來源的線粒體，其功能障礙便可能成為DN疾病發(fā)生發(fā)展的重要機(jī)制。且腎臟作為僅次于心臟具有最豐富線粒體的器官，其對(duì)能量的高需求也加重了對(duì)線粒體的依賴，大量單基因疾病也證明了完整的線粒體形態(tài)及功能對(duì)于健康腎臟的必需性[4]。

線粒體融合蛋白-2[Mfn2(mitofusin2)]是一種廣為人知的線粒體融合蛋白，不僅參與線粒體形態(tài)和網(wǎng)絡(luò)功能的維持，并可通過多種信號(hào)通路(例如Ras/MAPK,PERK,Akt/Bax等)來調(diào)控超越線粒體形態(tài)維持的生物學(xué)功能[5-7]。在DN小鼠腎臟中，過表達(dá)的Mfn2減輕了DN中系膜增生、腎小球基底膜增厚等病理特征，并減少DN中蛋白尿，表明了其緩解DN病程進(jìn)展的可能性[5]。但Mfn2在DN中的具體機(jī)制仍未清晰?，F(xiàn)本文就兩者關(guān)系進(jìn)行以下綜述。

1 Mfn生物學(xué)特征

Mfn家族，是動(dòng)力樣蛋白(dynamin like protein，DLP)中首個(gè)發(fā)現(xiàn)的膜重構(gòu)因子的家族，為定位在線粒體外膜的GTP酶，與線粒體形態(tài)和功能的維持密切相關(guān)。Mfn主要由N端GTPase結(jié)構(gòu)域，第一個(gè)卷曲七肽重復(fù)區(qū)(heptad repeat，HR)，一個(gè)富含脯氨酸(proline-rich，PR)的區(qū)域，兩個(gè)相鄰的跨膜(trans-membrane，TM)結(jié)構(gòu)域和C端的第二個(gè)卷曲七肽重復(fù)區(qū)構(gòu)成。其N端與C端結(jié)構(gòu)域延伸至細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，而疏水結(jié)構(gòu)固定在線粒體外膜上(outer mitochon-drial membrane，OMM)，從而介導(dǎo)線粒體融合[8](圖1)。當(dāng)線粒體之間發(fā)生接觸，Mfn1與Mfn2會(huì)形成同型或異形復(fù)合體連接拴系住兩者，后由視神經(jīng)萎縮蛋白(optic atrophy protein 1,OPA1)介導(dǎo)線粒體內(nèi)膜的融合[8-9]。同樣Mfn2在線粒體功能上有著重要作用，例如線粒體自噬、凋亡、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和線粒體動(dòng)力學(xué)等。例如，部分Mfn2存在于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上，特別是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-線粒體相關(guān)膜(ER mitochondria-associated membranes，MAM),其可通過與線粒體外膜上的Mfn1或Mfn2形成同型或異型復(fù)合體來介導(dǎo)線粒體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的連接，在此，Mfn2可通過調(diào)控未折疊蛋白反應(yīng)去介導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，并進(jìn)一步去調(diào)控自噬和凋亡過程[6,10]。故Mfn2的正常調(diào)控是不可或缺的，其功能改變或缺失是導(dǎo)致許多病理?xiàng)l件及疾病發(fā)生的潛在因素，從神經(jīng)退行性疾病(charcot-marie-tooth type 2A,CMT2A)[11]到癌[12]，橫跨多個(gè)系統(tǒng)，涉及多個(gè)通路。

圖1 Mfn結(jié)構(gòu)圖 Fig 1 Structure of Mfn

2 Mfn2在DN發(fā)病機(jī)制中的作用

DN是糖尿病常見的微血管并發(fā)癥之一，對(duì)腎小管、腎小球和血管皆有不利影響，能導(dǎo)致終末期腎臟疾病的發(fā)生，其主要表現(xiàn)為蛋白尿和腎功能的逐漸喪失。近年來，有研究表明過表達(dá)的Mfn2可能緩解DN的發(fā)生發(fā)展過程。這個(gè)機(jī)制主要通過介導(dǎo)線粒體融合、氧化應(yīng)激、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和自噬等過程實(shí)現(xiàn)。

2.1 線粒體融合

線粒體融合過程主要形成一個(gè)相互連接的線粒體網(wǎng)絡(luò)以介導(dǎo)與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的通訊及DNA和氧化蛋白的突變的稀釋，故線粒體的融合不僅參與了線粒體形態(tài)的維持，對(duì)線粒體DNA的完整性、信號(hào)的傳導(dǎo)、細(xì)胞的存亡都極為重要。而線粒體的融合取決于外膜的Mfn1/Mfn2和內(nèi)膜的OPA1。在高糖處理的腎小管上皮細(xì)胞(renal tubular epithelial cells，RTECs)中，線粒體融合蛋白Mfn2表達(dá)下降，分裂蛋白Drp1顯著上升，線粒體碎片增多[13]。且DN患者的線粒體分裂程度隨著Mfn2蛋白水平的降低而升高[14]。Mfn2的消融可導(dǎo)致線粒體腫脹、破碎，細(xì)胞色素C和caspase-3的活化，凋亡增強(qiáng)，而Mfn2 KO細(xì)胞中的重新表達(dá)可以增強(qiáng)線粒體融合，逆轉(zhuǎn)線粒體形態(tài)并抑制細(xì)胞的凋亡[14-15]。Mfn2可通過與PMK2(糖酵解限速酶之一)相互作用，以促進(jìn)線粒體的融合和氧化磷酸化，并減弱糖酵解，最終挽救線粒體形態(tài)及動(dòng)力學(xué)[16]。同樣，Mfn2作為類蛋白激酶RNA內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶(PRK-like ER kinase,PERK)上游調(diào)節(jié)因子，Mfn2的上調(diào)可通過與PERK物理結(jié)合來抑制PERK的磷酸化激活，從而減少ROS的產(chǎn)生，增強(qiáng)線粒體呼吸，挽救線粒體形態(tài)和功能。在Mfn2敲除細(xì)胞中，PERK沉默也可逆轉(zhuǎn)線粒體形態(tài)和功能損害。且PERK沉默的作用不受Mfn2敲除細(xì)胞中分裂融合蛋白表達(dá)水平的影響[6]。但目前Mfn2增強(qiáng)線粒體融合在DN的作用研究并不多，未來可能需要更多的實(shí)驗(yàn)證明。

2.2 氧化應(yīng)激

氧化應(yīng)激是指體內(nèi)ROS生成過多，超出機(jī)體的清除能力導(dǎo)致體內(nèi)平衡失調(diào)而出現(xiàn)的一系列反應(yīng)。事實(shí)上，高糖作為促進(jìn)DN發(fā)展的病因之一，其誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激是DN發(fā)生發(fā)展的重要因素。過度的ROS產(chǎn)生不僅造成線粒體功能異常、細(xì)胞紊亂死亡，也在腎臟損傷中起關(guān)鍵作用。故抑制氧化應(yīng)激將有可能預(yù)防或減緩DN的發(fā)生及發(fā)展[17]。在晚期糖基化終末產(chǎn)物的刺激下，DN模型大鼠中Mfn2的表達(dá)顯著減少，且呈時(shí)間依賴性。過度產(chǎn)生的ROS可以通過調(diào)控collagen Ⅳ轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)(transcription start sites，TSS)調(diào)控元件的乙?；突騺碓黾觕ollagen Ⅳ表達(dá)，而Mfn2轉(zhuǎn)染降低線粒體ROS產(chǎn)生，從而抑制調(diào)控元件的乙?；突虮磉_(dá)。同時(shí)Mfn2過表達(dá)也可以直接抑制TSS近端區(qū)域TFAP2A-DNA結(jié)合,降低collagen Ⅳ表達(dá)[18]。另外高糖與ROS刺激p38-MAPK的激活，并誘導(dǎo)collagen Ⅳ的產(chǎn)生。而Mfn2可能通過減少ROS的產(chǎn)生來抑制p38磷酸化，從而下調(diào)p38-MAPK信號(hào)通路的激活，最終緩解DN發(fā)展[5]。Mfn2也可以通過減輕PERK磷酸化來減少ROS產(chǎn)生，使線粒體鈣負(fù)載正常化，改善線粒體形態(tài)及功能[6]。Mfn2是否通過其他通路抑制氧化應(yīng)激來緩解DN發(fā)展也是未來一個(gè)研究方向。

2.3 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)通過觸發(fā)未折疊蛋白反應(yīng)(unfolded protein response，UPR)來回應(yīng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的激活。在正常情況下，UPR是一種積極的適應(yīng)反應(yīng)，它可使未折疊的蛋白重新折疊，也可通過PEPK、ATF6、IRE1α等途徑避免錯(cuò)誤蛋白的積累。但高糖導(dǎo)致的蛋白質(zhì)糖化打破了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)平衡，過度的UPR觸發(fā)細(xì)胞凋亡信號(hào)，導(dǎo)致細(xì)胞死亡[19]。高糖誘導(dǎo)腎小管上皮細(xì)胞[20]及糖尿病大鼠[19]中都存在UPR的激活。氧化應(yīng)激與應(yīng)激是互相交織，而不是獨(dú)立的現(xiàn)象。而針對(duì)減少內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激或UPR和ROS的處理對(duì)糖尿病腎臟病變是行之有效的[21]。Mfn2的消融不僅激活氧化應(yīng)激，還可導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的增強(qiáng)、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)疊片式擴(kuò)張和UPR分支PERK/CHOP、XBP-1、ATF6等的激活，而過表達(dá)的Mfn2可緩解挽救以上改變，表明Mfn2可能通過控制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、UPR和氧化應(yīng)激來緩解DN的發(fā)展[6]。但目前未有研究直接證明Mfn2在DN中對(duì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的作用。

2.4 自噬

自噬是體內(nèi)一種能降解大分子、大蛋白的過程，其可通過清除累積或破環(huán)的蛋白及細(xì)胞器來維系細(xì)胞內(nèi)平衡。腎足細(xì)胞高度分化，再生能力弱。因此，自噬對(duì)足細(xì)胞正常功能的維持非常關(guān)鍵，自噬異常會(huì)導(dǎo)致大量蛋白尿的產(chǎn)生[22]。而且在糖尿病腎病腎小球上皮細(xì)胞[13]也存在自噬受損。種種跡象都表明自噬異常在DN發(fā)病機(jī)制占有重要位置，且AMPK、mTORC1等信號(hào)通路參與其中[22]。而Mfn2的缺失通過減少自噬體的形成、溶酶體豐度、自噬溶酶體形成來損害正常自噬進(jìn)程[6]。過表達(dá)的Mfn2則可通過抑制PERK和 XBP-1的激活來誘導(dǎo)自噬過程。Pink1/Parkin作為上游信號(hào)，可通過在Mfn2的HR1泛素化Mfn2，并促使P97將Mfn2從線粒體內(nèi)膜接觸點(diǎn)上剝離，促進(jìn)自噬的發(fā)生，故Mfn2泛素化的減少也可抑制自噬的正常進(jìn)程[10]。且氧化應(yīng)激、細(xì)胞裂變、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激等與線粒體自噬異常互相促進(jìn)，是一個(gè)惡性循環(huán)。Mfn2可同時(shí)抑制以上途徑的異常激活或破環(huán)來控制緩解DN的發(fā)展。

2.5 凋亡

凋亡是一種高度保守的程序性死亡過程，它在生物發(fā)育過程中可以消除不必要或受損害的細(xì)胞，對(duì)維持正常細(xì)胞穩(wěn)態(tài)起關(guān)鍵作用，但它的失調(diào)也與許多疾病的發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)，糖尿病腎病也不例外[23]。在非應(yīng)激條件下，Mfn2缺乏并不增加腎小管上皮細(xì)胞的凋亡。當(dāng)應(yīng)激后，Mfn2缺乏可誘導(dǎo)線粒體破裂，凋亡細(xì)胞數(shù)增加，細(xì)胞色素及AIF釋放增加，暗示Mfn2在應(yīng)激條件下的缺乏可增加線粒體外膜對(duì)凋亡的敏感性[24]。另外Mfn2的消融極大的降低了TG誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞的caspase的含量與活性。當(dāng)重新表達(dá)Mfn2時(shí)，該酶活性恢復(fù)正常，故Mfn2的缺失阻礙了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激過程中細(xì)胞凋亡的激活[6]。ROS生成、線粒體破碎、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、自噬異常等最終都走向細(xì)胞凋亡、死亡。故糾正Mfn2的低表達(dá)，可能從多種途徑阻斷對(duì)腎臟的損害，緩解甚至逆轉(zhuǎn)DN的發(fā)展。目前關(guān)于Mfn2機(jī)制研究不多，且只研究其中一兩項(xiàng)，未來或許可以對(duì)Mfn2的功能進(jìn)行一個(gè)全面的研究，將以上5種機(jī)制真正串聯(lián)起來。

3 Mfn2與DN的治療

目前臨床主要以包括控制血糖血壓，阻斷腎素-血管緊張素系統(tǒng)等傳統(tǒng)干預(yù)措施來緩解DN的進(jìn)展，但其無法有效預(yù)防和治愈DN。為尋找新的治療途徑，當(dāng)前一些針對(duì)線粒體動(dòng)力學(xué)方向藥物正逐步受到關(guān)注。鈉-葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2(sodium-glucose cotransporter2，SGLT2)抑制劑如[伊格列凈(ipragliflozin)、恩格列凈(empagliflozin)]，一種新型抗糖尿病藥物，可將高脂飲食小鼠中OPA1及Mfn2水平恢復(fù)正常，從而抑制氧化應(yīng)激，改善脂質(zhì)代謝，恢復(fù)了線粒體穩(wěn)態(tài)，最終緩解對(duì)腎臟的代謝損害。事實(shí)上，伊格列凈可直接作用于腎臟近端小管。故伊格列凈可能成為治療DN的新型藥物[25]。目前SGLT2抑制劑在糖尿病腎病大型臨床研究和基礎(chǔ)研究都證實(shí)了SGLT2抑制劑對(duì)糖尿病腎病腎臟的保護(hù)作用。但是否能在臨床上推廣，仍需要進(jìn)一步探索。

4 結(jié)論

DN的發(fā)生由炎性反應(yīng)，代謝紊亂，遺傳因素等多種致病因素所致，同時(shí)也涉及了多條信號(hào)傳導(dǎo)通路和細(xì)胞因子。過表達(dá)的Mfn2可通過減少線粒體形態(tài)及功能異常(線粒體分裂、氧化應(yīng)激、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激等)、挽救細(xì)胞凋亡去延緩DN發(fā)生發(fā)展。但目前關(guān)于Mfn2在DN中作用及其機(jī)制的研究數(shù)量較少，且不夠深入。未來需要更多的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究Mfn2調(diào)控機(jī)制與途徑，將可能為DN的發(fā)病機(jī)制及其治療方法提供新的思路。