線粒體轉錄因子A在心力衰竭中的研究進展

高先佈 李昌金 宋曉偉 吳弘

(1.海軍軍醫(yī)大學附屬長海醫(yī)院心內科，上海 200433；2.中國人民解放軍聯(lián)勤保障部隊第九六六醫(yī)院心內科，遼寧 丹東 118000)

心力衰竭是由于各種原因導致的心臟泵血功能下降，具有進行性惡化、預后差、猝死風險高等特點。中國成人患病率為0.9%[1]，歐洲成人患病率為1%～2%，發(fā)病率約為每年3‰，成人約為每年5‰。目前，針對心力衰竭的治療主要通過抑制腎素-血管緊張素系統(tǒng)、交感神經(jīng)系統(tǒng)、心肌重構和減少心臟前后負荷等藥物治療方式延緩心力衰竭的進展，改善臨床癥狀，提高生活質量[2]。針對心肌細胞線粒體功能障礙的治療措施較少。因此，為了發(fā)現(xiàn)新的心力衰竭治療方法，研究線粒體功能障礙的分子機制成為進一步延緩，甚至逆轉心肌細胞功能障礙的新方向。而線粒體轉錄因子A(mitochondrial transcription factor A，TFAM)作為調控因子可調節(jié)線粒體DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)的轉錄、翻譯和合成后的修飾，從而緩解心力衰竭中線粒體功能障礙。現(xiàn)對TFAM在心力衰竭中的研究進展進一步闡述，從而探討其在心力衰竭治療方面的臨床應用價值。

1 TFAM及TFAM對線粒體功能的概述

線粒體作為呼吸和能量產生的主要細胞器對細胞發(fā)揮著關鍵作用，而mtDNA是線粒體最重要的組成部分。mtDNA是線粒體的基因組系統(tǒng)，是一種編碼13種蛋白質、2種核糖體核糖核酸、22種轉運核糖核酸的封閉環(huán)狀雙鏈DNA分子，所編碼的13種蛋白質都是線粒體呼吸鏈的基本亞單位。線粒體功能由mtDNA以及調節(jié)其轉錄和復制的因子控制[3]。

TFAM是mtDNA啟動子的特異性增強子，是高遷移率蛋白質組的成員。它與mtDNA的啟動子結合并促進mtDNA轉錄。TFAM在細胞核中合成并運輸?shù)骄€粒體，通過將mtDNA的單個拷貝儲存在功能性線粒體類核中而起到包裝分子的作用。線粒體類核包含抗氧化系統(tǒng)的必需酶，包括錳超氧化物歧化酶和線粒體谷胱甘肽過氧化物酶。這些抗氧化酶能減輕氧化損傷并保護mtDNA[4]。TFAM與受損mtDNA之間的相互作用對于mtDNA的修復啟動和調節(jié)至關重要[5]。此外TFAM可通過改變線粒體膜電位及向其他細胞器發(fā)出信號的方式來調節(jié)胞質內的Ca2+，從而調節(jié)細胞代謝[6]。總之TFAM既是mtDNA轉錄、包裝和維護的關鍵參與者，也是細胞能量代謝的主要調節(jié)者。

2 線粒體功能異常在心力衰竭發(fā)生中的作用與機制

正常情況下，線粒體通過調節(jié)氧化還原內信號分子、氧化應激、胞質內Ca2+濃度、自我吞噬等方式來維持心肌細胞生理功能。線粒體功能異常引起心力衰竭進展的主要機制為線粒體內過量的活性氧(reactive oxygen species，ROS)及Ca2+濃度過高[7]。

2.1 ROS與心力衰竭

心臟ROS的產生主要通過線粒體、還原型輔酶Ⅱ氧化酶、黃嘌呤氧化酶和解偶聯(lián)的一氧化氮合酶實現(xiàn)。在生理條件下，細胞內會產生少量的ROS并在細胞信號傳導中發(fā)揮作用，當其過量時可以很容易地被抗氧化酶消除。然而在心力衰竭患者的心肌細胞中，線粒體的電子傳遞鏈會誘導大量ROS生成，而抗氧化酶的活性保持正常，過量的ROS會導致不良的心肌重構和心力衰竭的進展[8]。除此之外，心力衰竭時線粒體中ROS生成的慢性增加可導致mtDNA的損傷，而mtDNA的損傷將進一步引起ROS增加并形成一種惡性循環(huán)[9]。這表明氧化應激不僅是心肌細胞功能障礙的結果，還是功能障礙的原因。

2.2 Ca2+與心力衰竭

心力衰竭細胞中過量ROS的氧化作用會導致肌漿網(wǎng)上釋放Ca2+進入胞質的ryanodine受體2(ryanodine receptor 2，RYR2)受損。RYR2的損傷會使胞質內Ca2+濃度增加，進而使線粒體內Ca2+濃度上升，線粒體內適量的Ca2+濃度可促進氧化還原過程及能量生成，但線粒體內Ca2+濃度過高會觸發(fā)線粒體通透性轉換孔的開放，引起線粒體內容物(如細胞色素c)釋放，誘導細胞凋亡或膜電位的喪失。損傷相關物質(如mtDNA、肽鏈和過量ROS)的漏出，會導致細胞炎癥及進一步引起線粒體的損傷，導致心力衰竭[10]。Liu等[11]的研究發(fā)現(xiàn)鉤藤堿(中草藥鉤藤的主要有效成分)可通過下調RYR2的磷酸化水平，進而調節(jié)Ca2+穩(wěn)態(tài)，保護糖尿病心肌病小鼠免受心肌損傷并促進心肌細胞收縮。Garbincius等[12]的研究表明心肌細胞特異性過表達線粒體鈣鈉交換蛋白的心肌肥大小鼠，其心肌細胞與對照組相比收縮功能更強，延緩了肥大與纖維化進展。這些發(fā)現(xiàn)均表明了在早期心力衰竭的心肌細胞內線粒體Ca2+的減少可延緩病理性重塑。

3 TFAM在延緩心力衰竭進展機制中的作用

通過前文已知ROS與Ca2+的穩(wěn)態(tài)對延緩心力衰竭進展的重要性，現(xiàn)將從調節(jié)ROS與Ca2+方面對有關TFAM緩解心力衰竭進展的主要機制進行闡述。

3.1 活化的T細胞的核內因子通路

活化的T細胞的核內因子(nuclear factor of activated T-cells，NFAT)是一個由四個成員組成的轉錄因子家族(NFAT1～4)，它們都在哺乳動物的心臟中表達，其不僅可以刺激肥大基因的表達，還可通過上調還原型輔酶Ⅱ的表達而誘導ROS的生成[13-14]。而ROS誘導的基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)可過度降解膠原蛋白，導致心臟重構[15]。除此之外ROS還可引起鈣蛋白酶的增加，而鈣蛋白酶的增加會進一步激活NFAT表達[14，16]。Kunkel等[17]通過實驗證實心力衰竭小鼠模型的TFAM表達顯著下降而NFAT4則升高，MMP9熒光強度增加，TFAM過表達組與對照組相比，NFAT4蛋白表達顯著降低，MMP9熒光強度下降。這表明心力衰竭的心肌細胞中TFAM過表達可在一定程度上通過NFAT通路來抑制心肌重構。

3.2 肌漿網(wǎng)Ca2+-ATPase 2a通路

肌漿網(wǎng)Ca2+-ATPase 2a(sarcoplasmic/endoplasmic reticulum Ca2+-ATPase 2a，SERCA2a)是一種ATP依賴性Ca2+轉運蛋白，通過將游離細胞質中的Ca2+儲存在肌漿網(wǎng)中來減少細胞質中Ca2+的含量從而引發(fā)心肌細胞舒張效應。SERCA2a活性的降低將導致心肌細胞收縮及舒張功能的障礙[18]。在心力衰竭細胞中，肌漿網(wǎng)上SERCA2a的表達下調，引起胞質中Ca2+過量，過量的Ca2+可激活鈣蛋白酶，而過度的鈣蛋白酶激活會裂解大量蛋白質底物并引起肌細胞收縮障礙，甚至是死亡。這些裂解的蛋白質往往與肌膜結構、細胞收縮、線粒體功能和細胞信號傳導有關[19]。除此之外胞質內Ca2+及鈣蛋白酶升高會激活心肌細胞中的鈣調神經(jīng)磷酸酶-NFAT通路，促進心肌細胞肥大，NFAT的激活反過來會抑制SERCA2a基因轉錄，導致SERCA2a下調[20]。最近Lin等[21]對編碼小鼠心肌細胞SERCA2a的Atp2a2基因特異性敲除，證明了SERCA2a在構建心室心肌細胞超微結構及氧化呼吸基因表達等心肌細胞成熟過程中發(fā)揮重要作用。這一新發(fā)現(xiàn)說明SERCA2a不僅可通過穩(wěn)定Ca2+濃度來延緩心力衰竭細胞的進展，還可通過促進或維持心肌細胞成熟度對衰竭心臟產生額外的治療影響，所以上調SERCA2a的表達對心力衰竭的治療尤為重要。

Watanabe等[22]發(fā)現(xiàn)TFAM不僅是mtDNA的特異性轉錄因子，它也可調控SERCA2a基因轉錄。這為TFAM通過SERCA2a途徑治療心力衰竭提供了一定的理論依據(jù)。另外Kunkel等[17]通過動物實驗發(fā)現(xiàn)在心力衰竭小鼠的心肌細胞中TFAM和SERCA2a均顯著降低。而過表達TFAM并未提高心力衰竭小鼠心肌細胞中SERCA2a蛋白的表達。這表明TFAM可能在生理性SERCA2a表達中發(fā)揮作用，而在心力衰竭的心肌細胞中，SERCA2a可能會受到潛在蛋白酶及其他表觀遺傳修飾的抑制。因此TFAM在心力衰竭中對SERCA2a的調控機制需要進一步發(fā)現(xiàn)與驗證。

4 調節(jié)心力衰竭細胞內TFAM的主要機制

TFAM對心力衰竭的進展有緩解作用已被公認，所以增加心力衰竭細胞中TFAM的表達成為緩解心力衰竭進展的主要靶點?，F(xiàn)闡述目前幾種主要提升細胞內TFAM的機制，進而為增加心力衰竭細胞內TFAM的表達提供一些見解。

4.1 Lon蛋白酶通路

Lon蛋白酶是一種關鍵的應激反應蛋白，作為AAA+(與多種細胞活動相關的ATP酶)蛋白超家族的重要成員，可識別并降解線粒體內錯誤折疊、未組裝、聚集和損傷的蛋白質；并對線粒體及內質網(wǎng)內未折疊蛋白起調節(jié)作用[23]。Lon蛋白酶對TFAM的調節(jié)主要通過降解及協(xié)助轉運的方式發(fā)揮作用。Matsushima等[24]的實驗表明Lon蛋白酶通過選擇性降解TFAM來穩(wěn)定線粒體中TFAM和mtDNA比率。當TFAM不與mtDNA結合時，會被Lon蛋白酶迅速降解，然而與mtDNA結合的TFAM被阻止降解。此外Lon蛋白酶還可降解錯誤折疊的TFAM來調節(jié)線粒體轉錄，從而實現(xiàn)mtDNA和功能性TFAM 的平衡。Lan等[25]的研究則證實了四甲基吡嗪(中藥川芎的主要成分)可通過穩(wěn)定TFAM而增強其對Lon蛋白酶降解的抵抗力，進而促進TFAM及mtDNA的上調。

除了通過降解作用對TFAM進行調節(jié)，Lon蛋白酶還可作為伴侶蛋白對TFAM的轉移進行調節(jié)。TFAM在細胞核合成，與載體熱休克蛋白70(heat shock protein 70，HSP70)結合后轉運入胞質中，在胞質中與HSP60結合形成HSP60-HSP70-TFAM復合體后在HSP70的允許作用下釋放入線粒體調節(jié)轉錄。當線粒體產生的ROS過多時，Lon蛋白酶被上調，Lon-HSP60-HSP70復合物的穩(wěn)定性隨著Lon蛋白酶的上調而增強，這有助于TFAM從HSP60-HSP70復合物釋放到線粒體中[26]。這種伴侶蛋白作用在ROS過多的情況下有助于TFAM轉運及表達的增加。綜上所述，Lon蛋白酶介導的通路在調節(jié)TFAM及對抗ROS上起著重要的作用。Lon蛋白酶可能成為治療心力衰竭的新靶點。

4.2 過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α通路

過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α)是近年來備受關注的核受體輔助激活因子，通過與過氧化物酶體增殖物激活受體、核呼吸因子(nuclear respiratory factor，NRF)和雌激素相關受體等核受體相互作用，調節(jié)線粒體的生物合成、物質和能量代謝以及抗氧化應激。PGC-1α可通過輔助并共激活NRF-1、NRF-2進而調節(jié)TFAM的生成[27]。因此可推測其在緩解心力衰竭中的重要作用。Zhu等[28]在異丙腎上腺素刺激下建立的大鼠心力衰竭模型中觀察到PGC-1α表達降低，并伴有氧化應激和線粒體功能障礙，而培哚普利則上調了PGC-1α、NRF1和TFAM的表達，改善了心力衰竭大鼠模型的心功能。由PGC-1α-NRF1-TFAM途徑調節(jié)的線粒體生物合成也被認為是卡維地洛治療心力衰竭的另一主要機制[29]。此外，在部分中藥如葛根素、芪參顆粒中也證實了靶向PGC-1α-NRF1-TFAM途徑可改善心力衰竭細胞中線粒體功能和抗氧化應激反應[30-31]。因此，PGC-1α-NRF1-TFAM可能是改善心力衰竭線粒體功能障礙的潛在治療靶點。

4.3 TFAM的表觀遺傳學調控

目前TFAM的表觀遺傳學調控是線粒體生物功能的研究熱點，現(xiàn)已知的對TFAM表觀遺傳學調控方式有微小RNA(microRNA，miRNA)與甲基化。

miRNA是小的非編碼RNA，通過抑制信使核糖核酸(messenger RNA，mRNA)翻譯或刺激mRNA降解來控制靶基因的表達。Quiones-Lombraa等[32]在患者心臟樣本中發(fā)現(xiàn)miRNA-155-5p(miR-155-5p)和TFAM表達之間存在著負相關。此外Wu等[33]在結腸癌患者的癌細胞中通過miR-214過表達抑制了TFAM，并顯著抑制了結腸癌細胞的增殖。由于miR-214對TFAM的調節(jié)作用，miR-214被認為是癌細胞增殖的潛在治療靶點。另miR-199a-3p被驗證可在乳腺癌細胞中調節(jié)TFAM的生成進而促進轉移[34]。可以看出目前miRNA調控TFAM的研究多集中在腫瘤方面，但也看到了其在心力衰竭細胞中調控TFAM的可能。此外TFAM也可以通過啟動子區(qū)域的甲基化進行表觀遺傳調控。TFAM特異性啟動子區(qū)域的甲基化會降低TFAM蛋白的表達并導致線粒體功能喪失，但通過去甲基化方式則可增加TFAM的表達。Peng等[35]發(fā)現(xiàn)香煙煙霧誘導的TFAM啟動子高甲基化與慢性阻塞性肺疾病的發(fā)生和發(fā)展有關。另Behera等[36]研究發(fā)現(xiàn)益生菌通過促進Kdm6b/Jmjd3組蛋白去甲基化酶來增加成骨細胞中TFAM的表達，該酶可抑制TFAM啟動子處的H3K27me3甲基化。針對高甲基化TFAM，這些發(fā)現(xiàn)可能為開發(fā)去甲基化藥物來調節(jié)心力衰竭細胞內TFAM表達提供一些新見解。

5 展望

TFAM作為調控mtDNA轉錄、復制的轉錄因子，對調節(jié)心力衰竭心肌細胞線粒體氧化應激、Ca2+穩(wěn)態(tài)和mtDNA損傷有重要作用，并可能是治療心力衰竭的靶點之一，但TFAM發(fā)揮作用的機制仍需更深入的探索。此外，TFAM不僅在心力衰竭發(fā)生發(fā)展過程中起重要作用，對動脈粥樣硬化、高血壓等心血管疾病的進展也有一定影響。因此，調節(jié)TFAM的治療策略會成為未來廣泛研究的目標，并可能在心血管治療領域上有更好的應用。