線粒體質(zhì)量控制在2型糖尿病發(fā)生發(fā)展及治療中的作用研究進(jìn)展

陳奕任，陶人川，梁韜

1 廣西醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院，南寧530021；2 廣西醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院；3 廣西壯族自治區(qū)衛(wèi)生健康委員會(huì)口腔感染性疾病防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2 型糖尿?。═2DM）是一種復(fù)雜的代謝性疾病，初期表現(xiàn)為胰島素抵抗（IR），進(jìn)而發(fā)展為β 細(xì)胞的結(jié)構(gòu)受損及胰島素分泌不足，引起機(jī)體內(nèi)糖脂代謝紊亂，并繼發(fā)其他臟器損害。研究表明，線粒體功能障礙與糖尿病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，是導(dǎo)致IR 和β細(xì)胞功能失調(diào)的潛在因素。線粒體在細(xì)胞能量代謝中起著核心作用，是胰島素分泌的主要調(diào)節(jié)器，負(fù)責(zé)脂肪酸的氧化磷酸化（OXPHOS）和β-氧化，對(duì)糖類、脂肪代謝以及三磷酸腺苷的合成至關(guān)重要。線粒體質(zhì)量控制的具體機(jī)制包括線粒體生物合成、線粒體動(dòng)力學(xué)、線粒體自噬。線粒體質(zhì)量控制通過不斷融合/分裂改變其形狀及大小、生物合成新生線粒體補(bǔ)充線粒體池和自噬將包裹受損的線粒體傳遞至溶酶體進(jìn)行清除，維持相對(duì)穩(wěn)定的線粒體數(shù)量和質(zhì)量的動(dòng)態(tài)過程，是保證線粒體健康和維持線粒體穩(wěn)態(tài)的重要機(jī)制。線粒體質(zhì)量控制的受損，將導(dǎo)致線粒體功能障礙，誘發(fā)β 細(xì)胞功能紊亂甚至死亡［1］。糖尿病患者除了線粒體功能障礙外，在線粒體自噬、動(dòng)力學(xué)和生物合成方面也存在缺陷，即線粒體質(zhì)量控制失調(diào)?，F(xiàn)將線粒體質(zhì)量控制在T2DM 發(fā)生發(fā)展及治療中的作用研究進(jìn)展綜述如下。

1 線粒體生物合成在T2DM 發(fā)生發(fā)展及治療中的作用

1.1 線粒體生物合成的調(diào)控機(jī)制 線粒體生物合成是一個(gè)調(diào)控線粒體新生的生物學(xué)過程，通過利用線粒體DNA、核編碼基因產(chǎn)生新的線粒體，包括線粒體DNA 轉(zhuǎn)錄和復(fù)制、核基因編碼蛋白、脂質(zhì)合成和轉(zhuǎn)入以及新的線粒體生成。目前研究認(rèn)為，線粒體生物合成依賴轉(zhuǎn)錄因子和共激活因子的相互作用，包括過氧化物酶增殖物激活受體γ 共激活因子1α（PGC-1α）、5'-腺 苷 單 磷 酸 激 活 蛋 白 激 酶（AMPK）、核呼吸因子1/2（NRF1/2）及線粒體轉(zhuǎn)錄因子A（TFAM）。

1.2 線粒體生物合成在T2DM 發(fā)生發(fā)展中的作用 線粒體生物合成功能失調(diào)與糖尿病的發(fā)生發(fā)展有關(guān)。在T2DM 患者和動(dòng)物模型中，PGC-1α mRNA和蛋白表達(dá)顯著降低，通過基因芯片技術(shù)發(fā)現(xiàn)，T2DM 患者PGC-1α 下游基因表達(dá)降低［2］。此外，衰老老鼠PGC-1α 表達(dá)降低，導(dǎo)致肝臟的葡萄糖不耐受，外周胰島素抵抗，從而發(fā)生T2DM［3］。沉默信息調(diào)節(jié)劑2 相關(guān)酶1/3（SIRT1/3）是PGC-1α 上游的調(diào)控因子，可調(diào)節(jié)體內(nèi)線粒體生物合成。研究發(fā)現(xiàn)，T2DM 患 者的SIRT1/3 表達(dá)降低［4-5］。動(dòng) 物實(shí)驗(yàn)表明，與正常小鼠相比，敲除SIRT1的缺陷小鼠ATP 減少，對(duì)高脂飲食誘導(dǎo)的IR 表現(xiàn)出更高的易感性，并且胰島β 細(xì)胞合成和（或）分泌胰島素能力下降，提示線粒體生物合成失調(diào)可誘發(fā)T2DM［6］。AMPK 是一種關(guān)鍵的酶蛋白，可控制生物體內(nèi)合成代謝的轉(zhuǎn)換。已有研究表明，在糖尿病患者和糖尿病動(dòng)物模型中AMPK 活性受損。在糖尿病動(dòng)物模型中，刺激AMPK 表達(dá)可增加細(xì)胞內(nèi)NAD+水平，增強(qiáng)SIRT1 活性，激活PGC-1α 表達(dá)，誘導(dǎo)線粒體基因上調(diào)，改善線粒體生物合成功能，降低血糖［7］。以上研究表明，線粒體生物合成受損導(dǎo)致的線粒體質(zhì)量下降與T2DM發(fā)生發(fā)展有關(guān)。

1.3 線粒體生物合成在T2DM 治療中的作用 線粒體生物合成可以保證線粒體的內(nèi)平衡，增強(qiáng)其抗氧化能力。鈉—葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2（SGLT2）抑制劑作為抗高血糖藥物，通過增加尿葡萄糖排泄從而降低高血糖。研究顯示，恩格列凈、卡格列凈可以上調(diào)脂肪細(xì)胞中的AMPK/SIRT1/PGC-1α 信號(hào)和下游轉(zhuǎn)錄因子TFAM、NRF2 表達(dá)，增加線粒體生物合成，誘導(dǎo)小鼠白色脂肪細(xì)胞轉(zhuǎn)化棕色脂肪細(xì)胞，減輕其體質(zhì)量［8-9］。AMPK信號(hào)通路是控制糖尿病的一個(gè)靶標(biāo)途徑，激活和調(diào)節(jié)AMPK 的藥物是治療糖尿病的潛在藥物。桑葉提取物桑葉黃酮可增加db/db 小鼠AMPK磷酸化和PGC-1α表達(dá)，上調(diào)NRF1，增強(qiáng)線粒體生物合成，改善胰島素抵抗［10］。原花青素是從鳶尾中提取的主要活性物質(zhì)，在脂肪細(xì)胞中可通過激活SIRT1/PGC-1α 信號(hào)通道，上調(diào)NRF1 和TFAM表達(dá)，減輕線粒體DNA 損傷，增強(qiáng)線粒體生物合成，減少脂肪生成，改善血糖、血脂和體質(zhì)量［11］。因此，通過調(diào)控線粒體生物合成恢復(fù)線粒體功能可能成為治療T2DM的新方向。

2 線粒體動(dòng)力學(xué)在T2DM發(fā)生發(fā)展及治療中的作用

2.1 線粒體動(dòng)力學(xué)的調(diào)控機(jī)制 線粒體通過持續(xù)不斷的融合和裂變以維持線粒體網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定，滿足細(xì)胞的功能需求，稱為線粒體動(dòng)力學(xué)。線粒體分裂可分為Drp1 轉(zhuǎn)位到線粒體外膜、高階組裝、GTP 水解、最終分解四個(gè)步驟，受四種GTPase 調(diào)控，即動(dòng)力蛋白相關(guān)蛋白1（Drp1）、分裂蛋白1（FIS1）、線粒體分裂因子（MFF）及線粒體動(dòng)力蛋白49/51（MID49/51）［12］。線粒體融合是2 個(gè)或多 個(gè)線粒體部分整合成長(zhǎng)絲狀線粒體的過程，分為束縛、外膜融合和內(nèi)膜融合三個(gè)步驟，受三種GTPases 蛋白介導(dǎo)，即線粒體融合蛋白1/2（Mfn1/2）和視神經(jīng)萎縮相關(guān)蛋白1（OPA1）。

2.2 線粒體動(dòng)力學(xué)在T2DM發(fā)生發(fā)展中的作用 在血糖控制不佳的T2DM患者的白細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)，線粒體融合減少，分裂增加，形態(tài)呈碎片化，持續(xù)的線粒體斷裂導(dǎo)致線粒體融合/分裂失衡，使葡萄糖刺激的胰島素分泌（GSIS）受損，并且導(dǎo)致細(xì)胞死亡［13-14］。高血糖下Drp1、MID51 過表達(dá)使胰島細(xì)胞的線粒體處于促裂變狀態(tài)，線粒體網(wǎng)絡(luò)呈不均勻性，導(dǎo)致ROS產(chǎn)生增加，膜電位下降，GSIS顯著降低，加劇細(xì)胞凋亡，導(dǎo)致惡性循環(huán)［15-16］。在OPA1 敲除的小鼠胰島細(xì)胞中，發(fā)現(xiàn)線粒體碎裂，嵴結(jié)構(gòu)異常，線粒體呼吸鏈復(fù)合物Ⅳ活性降低，耗氧量減少，ATP 產(chǎn)生缺陷，造成GSIS降低［17］。這些研究表明，線粒體動(dòng)力學(xué)與糖尿病之間存在密切關(guān)系，線粒體融合/裂變失衡可以直接影響線粒體功能，破壞β細(xì)胞功能，誘發(fā)糖尿病。

2.3 線粒體動(dòng)力學(xué)在T2DM 治療中的作用 保障線粒體形態(tài)質(zhì)量和豐度以維持線粒體正常功能，是線粒體質(zhì)量控制的核心。17β-雌二醇是主要雌激素活性形式，不僅能夠促進(jìn)線粒體的生物合成，還可通過增加胰島β 細(xì)胞中Mfn1/2表達(dá)水平，降低FIS1表達(dá)水平，調(diào)節(jié)線粒體裂變/融合平衡，從而增加胰島β 細(xì)胞中葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2（GLUT2）含量和促進(jìn)胰島素分泌，達(dá)到治療糖尿病的作用［18］。恩格列凈通過增加Mfn1表達(dá)，減少JC-1單體，增加JC-1聚集體，形成具有高膜電位細(xì)長(zhǎng)和高度相接的線粒體，同時(shí)增加線粒體呼吸鏈復(fù)合物的的活性，達(dá)到改善線粒體質(zhì)量，滿足脂肪褐變過程中能量需求的目的［9］。原花青素能夠改善線粒體生物合成功能，同時(shí)降低脂肪細(xì)胞中Drp1 表達(dá)，上調(diào)Mfn1/2 表達(dá)，從而改善線粒體功能障礙，增加葡萄糖攝取，改善外周胰島素抵抗［11］。葛根素能夠提高T2DM 小鼠胰腺組織的線粒體融合因子Mfn1、OPA1 蛋白表達(dá)，促進(jìn)線粒體融合，改善胰腺組織線粒體質(zhì)量和病理損傷，起到抗糖尿病作用［19］。以上研究表明，維持線粒體裂變/融合平衡可延緩T2DM的發(fā)生發(fā)展。

3 線粒體自噬在T2DM發(fā)生發(fā)展及治療中的作用

3.1 線粒體自噬的調(diào)控機(jī)制 線粒體自噬是指一種經(jīng)溶酶體降解受損的細(xì)胞器以控制線粒體質(zhì)量與數(shù)量來維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的細(xì)胞內(nèi)過程。哺乳動(dòng)物線粒體自噬有三大經(jīng)典通路：PINK1/Parkin、BNIP3/NIX和FUNDC1，其中PINK1/Parkin 途徑是研究線粒體自噬中最常見的通路。在正常生理活動(dòng)下，PINK1通過線粒體靶向序列持續(xù)進(jìn)入內(nèi)膜，被基質(zhì)加工肽酶（MPP）以及早老素相關(guān)菱形樣蛋白（PARL）體降解［20］。當(dāng) 線 粒 體 損 傷 時(shí)，MPP 和PARL 被 抑 制，PINK1 的切割減少，外膜轉(zhuǎn)位酶（TOM）誘導(dǎo)PINK1在外膜上積累。隨后PINK1 磷酸化絲氨酸65（Ser65）上的泛素，進(jìn)一步募集Parkin。活化后的Parkin 將外膜底物泛素化，適配器蛋白（如p62/SQSTM1、NBR1、NDP52/CALCOCO2、TAX1BP1 和OPTN）識(shí)別線粒體泛素化底物，并通過與微管相關(guān)蛋白1 輕鏈3（MAP1LC3）結(jié)合，誘導(dǎo)自噬體形成降解去極化的線粒體［21］。哺乳動(dòng)物細(xì)胞中BNIP3 與PINK1 相互作用，促進(jìn)PINK1 在外模上積累，誘導(dǎo)Parkin 募集，促進(jìn)PINK1/Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬；相反，BNIP3 的失活增加PINK1 蛋白水解加工，抑制PINK1/Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬［22］。

3.2 線粒體自噬在T2DM 發(fā)生發(fā)展的作用 線粒體自噬可以消除老化和損傷的線粒體，對(duì)于控制線粒體質(zhì)量有重要意義。已有研究發(fā)現(xiàn)，T2DM 患者的骨骼肌PINK1的轉(zhuǎn)錄受到抑制，此外，糖尿病動(dòng)物模型的心肌細(xì)胞發(fā)現(xiàn)PINK1 和Parkin 蛋白表達(dá)下調(diào)，導(dǎo)致線粒體自噬異常，線粒體質(zhì)量控制失衡［23］。在高脂高糖飲食誘導(dǎo)的肥胖小鼠中，脂肪組織PINK1 和Parkin 蛋白表達(dá)增加，自噬標(biāo)志物L(fēng)C3B 表達(dá)上調(diào)，進(jìn)而改善線粒體質(zhì)量，抑制肥胖的加重［24］。敲除大鼠胰島β 細(xì)胞PARK2 基因后，線粒體自噬功能失調(diào)，細(xì)胞內(nèi)破碎線粒體增多，導(dǎo)致β細(xì)胞內(nèi)活性氧產(chǎn)生增加和ATP 水平降低，影響胰島素合成和分泌，降低血糖的能力下降［25］。因此認(rèn)為，Parkin 在維持胰腺細(xì)胞線粒體形態(tài)的完整性和胰島素的分泌方面具有重要作用。另有研究表明，敲除FUNDC1 基因的小鼠表現(xiàn)為線粒體自噬缺陷，線粒體質(zhì)量受損，加重了高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖和胰島素抵抗［26］。特異性敲除小鼠骨骼肌FUNDC1基因?qū)е翷C3介導(dǎo)的線粒體自噬缺陷，使肌肉脂肪利用率和耐力下降；但是FUNDC1 缺乏引起肌肉逆行反應(yīng)，上調(diào)成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子21 表達(dá)，促進(jìn)脂肪組織的產(chǎn)熱重塑，改善全身胰島素敏感性和葡萄糖耐量，從而抵抗高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖［27］?？傊€粒體自噬在系統(tǒng)代謝調(diào)控中發(fā)揮關(guān)鍵作用，也是代謝綜合征的治療靶點(diǎn)。

3.3 線粒體自噬在T2DM 治療中的作用 維持線粒體自噬穩(wěn)態(tài)是T2DM 預(yù)防的有效機(jī)制之一。有研究表明，通過肌肉注射使熱休克蛋白72在骨骼肌中特異性過表達(dá)，能夠激活PINK1/Parkin 途徑，增強(qiáng)骨骼肌線粒體自噬，減少活性氧的產(chǎn)生，恢復(fù)線粒體質(zhì)量，降低肌肉的胰島素抵抗，抑制高脂高糖飲食引起小鼠肥胖和葡萄糖不耐受，延緩糖尿病的發(fā)生發(fā)展［27］。此外，Parkin 作為一種泛素連接酶，去泛素化酶可能是線粒體自噬途徑的潛在制動(dòng)器。USP30是去泛素化酶家族中的一員，其抑制劑ST-539（苯丙氨酸衍生物）能夠促進(jìn)線粒體自噬，改善線粒體質(zhì)量控制［28］。研究顯示，紅景天苷可提高小鼠骨骼肌自噬標(biāo)志蛋白LC3Ⅱ和BNIP3 表達(dá)，激活自噬以維持線粒體池的穩(wěn)態(tài)，改善線粒體質(zhì)量，緩解骨骼肌的胰島素抵抗［29］。黃芪皂苷Ⅱ可調(diào)節(jié)PINK1通路上調(diào)的線粒體自噬相關(guān)蛋白（如p62、LC3、PINK1和Parkin）表達(dá)，促進(jìn)線粒體自噬，提高線粒體質(zhì)量，從而改善糖尿病大鼠足細(xì)胞損傷［30］。因此，調(diào)控線粒體自噬代表一種治療糖尿病新的靶點(diǎn)。

綜上所述，在罹患T2DM 情況下，線粒體質(zhì)量失衡引起機(jī)體線粒體功能障礙，活性氧生成過多，ATP產(chǎn)生減少，β 細(xì)胞發(fā)生凋亡，使胰島素分泌減少；線粒體生物合成減少，致使線粒體池?zé)o法得到補(bǔ)充，難以維持線粒體的數(shù)量和功能。通過激活PGC-1α/NRF1/TFAM 途徑，增強(qiáng)線粒體生物合成，恢復(fù)線粒體功能，能夠達(dá)到抗糖尿病的作用。線粒體的融合/分裂不是單一獨(dú)立的關(guān)系，而是相輔相成的關(guān)系。高糖內(nèi)環(huán)境的應(yīng)激條件下，通過加強(qiáng)線粒體動(dòng)力學(xué)，一方面使線粒體融合將多個(gè)輕中度受損的線粒體融合為一個(gè)線粒體，或者與正常的線粒體結(jié)合起來，防止受損的線粒體繼續(xù)損傷，以免于自噬；另一方面受損嚴(yán)重的部分線粒體會(huì)被線粒體相關(guān)分裂因子從正常的線粒體中分開，避免正常區(qū)域內(nèi)線粒體繼續(xù)受到損傷，最終通過自噬去除受損嚴(yán)重的線粒體；此外，不斷的融合與分裂可以交換線粒體相關(guān)蛋白以及線粒體DNA，從而保持線粒體池中線粒體的數(shù)量和功能，逆轉(zhuǎn)因高糖引起的胰腺組織病理損傷。線粒體質(zhì)量控制與T2DM 密切相關(guān)，通過調(diào)節(jié)線粒體生物合成、線粒體融合/分裂和線粒體自噬等相關(guān)因子表達(dá)，影響線粒體質(zhì)量控制，從而改善外周組織的胰島素敏感性、提高葡萄糖刺激胰島素分泌能力、促進(jìn)白色脂肪褐變和減少脂肪異位沉積，達(dá)到降糖、降脂治療T2DM 的目的。但目前的相關(guān)研究仍處于探索階段，缺乏多維度、深層次及更細(xì)致探索；此外，研究類型多以細(xì)胞、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)為主，規(guī)范化的臨床研究較少且籠統(tǒng)，需要進(jìn)一步開展相關(guān)機(jī)制及轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)等方面的研究。