Drp1在糖尿病心肌病中的作用機(jī)制研究進(jìn)展

宋小剛，吳冰，陳永清

1蘭州大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院，甘肅 蘭州 730030；2解放軍聯(lián)勤保障部隊(duì)第940醫(yī)院老年科，甘肅 蘭州 730050；3甘肅省中心醫(yī)院心內(nèi)科，甘肅 蘭州 730070

目前，全球糖尿病患者約4.51億，預(yù)計(jì)到2045年將增加至6.93億[1]。超過50%的糖尿病患者死亡或致殘的原因?yàn)樾难懿l(fā)癥[2]。糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy，DCM)是一種獨(dú)立于冠狀動(dòng)脈疾病、高血壓和心臟瓣膜病而發(fā)生心力衰竭的病理生理狀態(tài)，早期即可出現(xiàn)心肌纖維化、心肌重塑和舒張功能障礙，隨后出現(xiàn)收縮功能障礙，最終發(fā)展為心力衰竭[3]。DCM的發(fā)生涉及多種機(jī)制，包括心臟胰島素信號(hào)傳導(dǎo)異常、線粒體功能障礙、氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)、鈣超載、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、微血管功能障礙和腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)(RAAS)的激活等[4-5]，其中線粒體功能障礙和氧化應(yīng)激被認(rèn)為是DCM發(fā)生的主要病理生理機(jī)制[6-7]。線粒體是高度動(dòng)態(tài)的細(xì)胞器，其分裂與融合平衡失調(diào)所致的線粒體功能障礙是許多心血管疾病的始動(dòng)因素，如內(nèi)皮功能障礙、心肌肥大、心肌病、心力衰竭、心肌缺血再灌注損傷等[8]。動(dòng)力相關(guān)蛋白1(dynamin related protein 1，Drp1)是線粒體分裂的調(diào)節(jié)因子，在線粒體功能障礙和線粒體氧化應(yīng)激中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。本文圍繞Drp1在線粒體分裂及DCM中的作用機(jī)制進(jìn)行綜述，旨在為DCM的基礎(chǔ)研究和臨床診療提供新思路。

1 線粒體結(jié)構(gòu)

線粒體位于細(xì)胞質(zhì)中，由高滲透的外膜和低滲透的內(nèi)膜組成，膜間隙含有細(xì)胞色素C等可溶性酶及半胱氨酸蛋白酶(caspase)-3、caspase-9的前體和輔助因子。內(nèi)膜的生物氧化過程可產(chǎn)生跨膜電子梯度，并介導(dǎo)電子傳輸及磷酸化，從而生成三磷酸腺苷(ATP)?；|(zhì)中包含線粒體脫氧核糖核酸(DNA)、核糖核酸(RNA)、核糖體、酶等(圖1A)，是進(jìn)行三羧酸循環(huán)的重要場(chǎng)所。

正常心肌細(xì)胞線粒體呈管狀、棒狀結(jié)構(gòu)，橫截面呈橢圓形，長(zhǎng)寬比約1.5，密集地排列在心肌纖維間隙中，平均長(zhǎng)度約7.97 μm，而過度分裂的線粒體呈碎片狀或小而圓形，平均長(zhǎng)度約2.83 μm。

2 線粒體的融合與分裂

線粒體動(dòng)力學(xué)包括線粒體的融合與分裂，線粒體動(dòng)力蛋白家族均含有三磷酸鳥苷(GTP)酶活性。介導(dǎo)線粒體融合的蛋白有線粒體融合蛋白(Mfn)1、Mfn2及視神經(jīng)萎縮蛋白1(Opa1)(圖1B)。線粒體分裂是一個(gè)多步驟的過程，包括線粒體膜的收縮及斷裂，這一過程由Drp1及其受體介導(dǎo)，其受體包括線粒體分裂蛋白1(Fis1)、線粒體裂變因子(Mff)、49 kD線粒體動(dòng)力蛋白(MiD49)和51 kD線粒體動(dòng)力蛋白(MiD51)(圖1C)。線粒體融合與分裂之間的動(dòng)態(tài)平衡不但有利于線粒體的更新及清除，而且在維持心肌細(xì)胞收縮功能和能量代謝平衡中也發(fā)揮著重要作用[9]。

圖1 線粒體的結(jié)構(gòu)(A)、融合(B)與分裂(C)Fig.1 Mitochondrial structure(A), fusion (B) and fission (C)

3 Drp1與線粒體分裂

Drp1由4個(gè)保守區(qū)域組成，包括GTP酶結(jié)構(gòu)域、中間結(jié)構(gòu)域、可變結(jié)構(gòu)域和GTP酶效應(yīng)結(jié)構(gòu)域(GED)。Drp1是一種胞質(zhì)蛋白，通常以無活性的形式存在于細(xì)胞質(zhì)中。Drp1活化后與Fis1、Mff結(jié)合，從胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體外膜，在膜周圍形成環(huán)狀寡聚體結(jié)構(gòu)，促進(jìn)線粒體分裂。Drp1與線粒體外膜的結(jié)合受多種受體(如Fis1、Mff、MiD49、MiD51等)調(diào)節(jié)。MiD49及MiD51較Fis1、Mff招募Drp1的能力更強(qiáng)，二者可在無Fis1及Mff協(xié)助的情況下將Drp1招募至線粒體外膜，啟動(dòng)分裂。

Drp1的激活和轉(zhuǎn)位受磷酸化、棕櫚?；⒎核鼗蛠喯貂；恼{(diào)節(jié)，以磷酸化最為重要。Drp1的兩個(gè)絲氨酸殘基(ser616和ser637)通過磷酸化來影響Drp1的活性和定位。Drp1 ser616磷酸化后激活Drp1，使其向線粒體外膜轉(zhuǎn)移，促進(jìn)線粒體分裂；而Drp1 ser637磷酸化后則可抑制Drp1的活化及Drp1向線粒體外膜的轉(zhuǎn)移，進(jìn)而抑制線粒體分裂[10-11]。

高血糖、高血脂、缺血缺氧、紫外線輻射等均可使Drp1 ser616磷酸化，促進(jìn)線粒體分裂。在2型糖尿病(T2DM)中，Drp1、Fis1、Mff的表達(dá)水平升高，而Mfn1、Mfn2、OPA1的表達(dá)水平明顯降低，線粒體分裂增加，線粒體的形態(tài)表現(xiàn)為碎片化，且更短更圓。

4 Drp1與DCM

目前認(rèn)為，氧化應(yīng)激、代謝紊亂、心肌纖維化、炎癥反應(yīng)、細(xì)胞凋亡、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激等是DCM細(xì)胞損傷的主要機(jī)制。最新研究發(fā)現(xiàn)，Drp1可參與糖尿病心肌細(xì)胞的活性氧(ROS)產(chǎn)生、能量代謝異常、糖脂代謝紊亂、胰島素抵抗及細(xì)胞凋亡過程，導(dǎo)致DCM的發(fā)生發(fā)展，最終進(jìn)展為心功能不全[12-13]。

4.1 Drp1與氧化應(yīng)激 煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)和黃素腺嘌呤二核苷酸(FADH2)氧化的電子通過線粒體內(nèi)膜中的電子傳輸鏈(ETC)穿過內(nèi)膜到達(dá)膜間隙，產(chǎn)生電化學(xué)梯度，促進(jìn)無機(jī)磷酸與二磷酸腺苷(ADP)結(jié)合生成ATP。在糖尿病心肌細(xì)胞中，Drp1表達(dá)增高，線粒體復(fù)合體Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ的功能發(fā)生障礙，泛醌自由基延長(zhǎng)，從而引起ETC異常電子泄露，并與氧原子結(jié)合后導(dǎo)致ROS產(chǎn)生增加[14]。同時(shí)，由于胰島素缺乏或胰島素抵抗，線粒體代謝底物從葡萄糖轉(zhuǎn)換為脂肪酸，以代償產(chǎn)生足夠的ATP，但這個(gè)過程會(huì)產(chǎn)生更多的ROS，破壞氧化磷酸化過程[15]。

線粒體是氧化磷酸化的場(chǎng)所，也是ROS的主要來源，低濃度ROS具有細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)功能，可發(fā)揮信號(hào)分子的作用。但高濃度的ROS可誘導(dǎo)細(xì)胞應(yīng)激損傷甚至造成細(xì)胞死亡，導(dǎo)致DCM。Drp1過表達(dá)或Mfn1敲除后，線粒體分裂增加、融合減少，導(dǎo)致線粒體碎片化，并產(chǎn)生過量的ROS[16]；ROS可增加解偶連蛋白(UCP)的活性，后者可使ATP生成和電子轉(zhuǎn)運(yùn)分離，導(dǎo)致熱量產(chǎn)生增加而ATP生成減少[17]。其次，ROS還可損傷DNA、RNA、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)及酶，導(dǎo)致糖尿病心肌細(xì)胞凋亡增加及DCM的發(fā)生。

線粒體不僅是ROS的主要產(chǎn)生部位，也是應(yīng)激狀態(tài)下ROS主要的攻擊靶點(diǎn)[18]。Drp1過表達(dá)產(chǎn)生過量ROS，可導(dǎo)致氧化應(yīng)激損傷、線粒體膜去極化增加、膜電位下降，并促進(jìn)線粒體通透轉(zhuǎn)換孔(mPTP)的病理性開放，膜間隙細(xì)胞色素C滲漏，進(jìn)而出現(xiàn)線粒體腫脹、膜破裂及線粒體功能障礙，最終導(dǎo)致心肌細(xì)胞死亡[19-20]。氧化應(yīng)激被認(rèn)為是糖尿病心肌細(xì)胞損傷和DCM發(fā)生的罪魁禍?zhǔn)譡21-23]。過量的ROS可耗盡細(xì)胞內(nèi)的超氧化物歧化酶[錳超氧化物岐化酶(MnSOD)、銅鋅超氧化物岐化酶(CuZnSOD)]和抗氧化酶[過氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)和過氧化物還原酶(PRX)]，導(dǎo)致氧化應(yīng)激損傷，損害心肌細(xì)胞Ca2+泵活性，同時(shí)也會(huì)降低心肌細(xì)胞對(duì)Ca2+的敏感性，抑制心肌收縮和舒張功能，從而導(dǎo)致心功能障礙及DCM進(jìn)展[15,24]。

4.2 D r p 1 與能量代謝障礙 心肌細(xì)胞能量60%～80%來源于線粒體脂肪酸β-氧化。糖尿病初期，線粒體Drp1表達(dá)增高，線粒體分裂增加，葡萄糖氧化磷酸化受損，ATP產(chǎn)生減少，但由于RAAS激活，兒茶酚胺分泌增多，脂肪組織動(dòng)員加速，血漿游離脂肪酸(FFA)濃度升高，F(xiàn)FA進(jìn)入心肌細(xì)胞增加，脂肪酸β-氧化增強(qiáng)，代償性產(chǎn)生足夠的ATP以維持心肌細(xì)胞功能。但隨著病情進(jìn)展，Drp1表達(dá)進(jìn)一步增高，線粒體分裂增加呈碎片狀，線粒體復(fù)合體Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ的活性明顯降低，呼吸鏈功能受損，線粒體功能障礙，脂肪酸β-氧化能力下降，ATP生成明顯減少，導(dǎo)致糖尿病心功能障礙加重。此外，由于ATP合成減少，心肌細(xì)胞鈣泵功能障礙，導(dǎo)致胞質(zhì)Ca2+超載，進(jìn)而損害心肌舒張及收縮功能，加重DCM心功能障礙[21,25-26]。

4.3 Drp1與細(xì)胞凋亡 與健康人相比，糖尿病心肌細(xì)胞凋亡增加了85倍，而線粒體功能障礙在糖尿病心肌細(xì)胞凋亡中發(fā)揮了重要作用[27-28]。DCM的特征是氧化應(yīng)激和線粒體功能障礙，二者共同導(dǎo)致心肌細(xì)胞凋亡增加[29]。糖尿病線粒體Drp1 ser616磷酸化增加，活化的Drp1由胞質(zhì)向線粒體轉(zhuǎn)移，促進(jìn)線粒體分裂，進(jìn)而誘發(fā)線粒體內(nèi)膜mPTP開放、膜電位下降、基質(zhì)腫脹、線粒體外膜通透性增加，以及細(xì)胞色素C被釋放至細(xì)胞質(zhì)中，從而使凋亡因子caspase-3、B細(xì)胞淋巴瘤2相關(guān)X蛋白因子(Bax)活化，啟動(dòng)細(xì)胞凋亡程序；同時(shí)，ROS產(chǎn)生增加、氧化應(yīng)激增強(qiáng)，線粒體呼吸鏈?zhǔn)軗p、ATP產(chǎn)生減少，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、炎癥細(xì)胞因子釋放增加，以及RAAS局部激活增加等因素，最終共同導(dǎo)致心肌細(xì)胞凋亡增加[30-33]。心肌細(xì)胞凋亡增加導(dǎo)致細(xì)胞數(shù)量減少，心肌收縮功能受損，最終造成心肌重塑、心臟擴(kuò)大、心功能障礙，導(dǎo)致DCM惡化[34]。

4.4 Drp1與胰島素抵抗和脂毒性 糖尿病心肌細(xì)胞中，Drp1、Fis1表達(dá)增多，Mfn1、Mfn2表達(dá)減少，線粒體分裂增加，碎片化線粒體增多，管狀網(wǎng)絡(luò)線粒體減少，線粒體動(dòng)力學(xué)失衡。線粒體過度分裂可抑制胰島素受體底物(IRS1)/蛋白激酶B(Akt)信號(hào)通路，并阻止葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體(GLUT)轉(zhuǎn)移至細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖分子，從而導(dǎo)致胰島素抵抗。同時(shí)，ROS產(chǎn)生增多也可抑制IRS1/Akt信號(hào)通路，導(dǎo)致GLUT轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖減少，進(jìn)一步加重胰島素抵抗。由于胰島素信號(hào)被抑制，GLUT向胞膜募集減少、葡萄糖攝入及氧化磷酸化減少，肌質(zhì)網(wǎng)鈣泵活性下降，心肌細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度升高，導(dǎo)致心肌僵硬，最終發(fā)生DCM舒張功能不全[35]。

糖尿病心肌細(xì)胞中，由于胰島素缺乏或胰島素抵抗，心肌細(xì)胞葡萄糖攝取及利用率降低，心肌細(xì)胞攝取脂肪酸和β-氧化相對(duì)增加，以維持足夠的ATP生成[36]。然而，心肌細(xì)胞攝取脂肪酸超過了β-氧化的能力，胞質(zhì)內(nèi)未完全代謝的脂肪酸增多，從而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)蓄積和脂毒性增加。其中，二酰甘油(DAG)可通過激活蛋白激酶C(PKC)抑制胰島素受體，神經(jīng)酰胺(CER)也可通過抑制Akt而抑制胰島素信號(hào)，誘發(fā)胰島素抵抗。胰島素抵抗和脂毒性共同導(dǎo)致心肌細(xì)胞能量代謝障礙，使心肌肥大、心腔擴(kuò)大，DCM進(jìn)一步加重[37-39]。

Drp1轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體是線粒體分裂的標(biāo)志，也是發(fā)生胰島素抵抗的必要條件。敲除Drp1或應(yīng)用Drp1抑制劑阻止Drp1由胞質(zhì)向線粒體外膜的轉(zhuǎn)運(yùn)可抑制線粒體分裂、減少線粒體碎片及延長(zhǎng)線粒體網(wǎng)絡(luò)，從而逆轉(zhuǎn)胰島素抵抗[40]。

5 Drp1抑制劑與DCM

線粒體分裂抑制劑1(Mdivi-1)可通過減少Drp1 ser616磷酸化來抑制Drp1活化，或通過抑制Drp1的GTP酶活性來抑制Drp1的功能，減少線粒體分裂，從而改善線粒體功能、抑制mPTP開放，減少心肌細(xì)胞凋亡。研究發(fā)現(xiàn)，Mdivi-1可抑制Drp1活化，使ROS和超氧陰離子產(chǎn)生減少，心肌細(xì)胞線粒體復(fù)合體Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ的功能改善，線粒體電子傳輸鏈ETC活性增強(qiáng)，ATP生成增多，DCM心功能改善[41]。

褪黑素通過SIRT1-PGC1α途徑抑制Drp1的表達(dá)，并以腺苷酸活化蛋白激酶α(AMPKα)依賴的方式抑制Drp1 ser616的磷酸化，增強(qiáng)Drp1 ser637的磷酸化，從而抑制Drp1的活化、增加Mfn2和Opa1的表達(dá)，并可抑制線粒體分裂、增加線粒體融合，抑制mPTP開放、減少細(xì)胞色素C釋放，減少線粒體膜電位下降及改善線粒體復(fù)合體Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ的功能，最終減少心肌細(xì)胞凋亡，改善DCM的心功能[42]。

黃芩苷是一種天然的黃酮化合物，可通過減少Drp1 ser616的磷酸化抑制Drp1活化，從而抑制線粒體分裂，并可減輕線粒體腫脹及膜電位下降，抑制心肌細(xì)胞凋亡，進(jìn)而保護(hù)心功能，改善DCM的預(yù)后[30]。因此，Drp1抑制劑可能成為DCM的一種潛在治療手段。

6 Drp1敲除的利與弊

線粒體自噬是清除細(xì)胞內(nèi)異常線粒體的一種防御機(jī)制，通過線粒體不對(duì)稱分裂選擇性地清除老化、病理性及受損的線粒體，并通過溶酶體進(jìn)行降解，是心肌細(xì)胞功能自我調(diào)節(jié)的關(guān)鍵[43-44]。Drp1介導(dǎo)的線粒體分裂與線粒體自噬之間存在相互依賴的關(guān)系。Drp1向線粒體募集既是啟動(dòng)分裂的標(biāo)志，也是啟動(dòng)自噬的關(guān)鍵步驟[11,45]。DCM中，Drp1 Ser616磷酸化增加，Drp1轉(zhuǎn)移至線粒體增多，同時(shí)線粒體自噬也被激活。但是，通過過度下調(diào)Drp1的表達(dá)來抑制Bnip3誘導(dǎo)的線粒體自噬，可導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)受損線粒體清除減少，反而會(huì)加重線粒體功能障礙[46]。

糖尿病心肌細(xì)胞中Drp1表達(dá)增高，線粒體過度分裂，碎片化的線粒體成為線粒體自噬和溶酶體降解的目標(biāo)，而有功能的線粒體相對(duì)減少，從而導(dǎo)致線粒體功能障礙。但是，過度抑制Drp1的表達(dá)也可能導(dǎo)致線粒體自噬被抑制，甚至造成心肌細(xì)胞損傷[47]。

研究發(fā)現(xiàn)，線粒體分裂是線粒體自噬的先決條件。敲除新生小鼠的Drp1可導(dǎo)致線粒體分裂減少、自噬受損，使受損線粒體蓄積、氧化應(yīng)激增加、ATP生成減少、鈣泵功能障礙，從而使細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)過氧化物含量升高，細(xì)胞電活動(dòng)受損，以及白細(xì)胞介素(IL)-6、腫瘤壞死因子(TNF)-α等炎性因子分泌增加，進(jìn)而導(dǎo)致嚴(yán)重的肌肉萎縮，危及新生小鼠的心臟發(fā)育，最終發(fā)生心腔擴(kuò)張和心力衰竭[48]。

7 總結(jié)與展望

糖尿病心肌細(xì)胞中Drp1活化增強(qiáng)，線粒體分裂增加、融合減少，線粒體功能障礙，導(dǎo)致心肌細(xì)胞氧化應(yīng)激增強(qiáng)、能量代謝障礙、細(xì)胞凋亡增加、胰島素抵抗和脂毒性增加，進(jìn)而誘發(fā)糖尿病心肌病的發(fā)生發(fā)展。抑制Drp1的活化及表達(dá)，可減少心肌細(xì)胞凋亡，改善DCM心功能，以及延緩病情進(jìn)展。然而，敲除Drp1后線粒體分裂減少、自噬受損，線粒體功能障礙加重，則可導(dǎo)致心肌細(xì)胞受損、心功能障礙加重。因此，線粒體分裂是一把雙刃劍，生理性分裂對(duì)于線粒體功能至關(guān)重要，抑制Drp1的過度活化，保持線粒體分裂與融合之間的動(dòng)態(tài)平衡，才能維持正常的線粒體功能及糖尿病和DCM患者的心臟功能，并改善疾病預(yù)后。但是，如何通過Drp1精準(zhǔn)平衡線粒體分裂與融合過程，仍需要更多的探索性研究進(jìn)行驗(yàn)證。