線粒體轉(zhuǎn)錄因子A介導(dǎo)的線粒體功能障礙在糖尿病心肌病中的作用

呂麗麗,翟滿滿,丁小艷, 陳永清

(1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院 研究生院,甘肅 蘭州 730000;2.甘肅省婦幼保健院/甘肅省中心醫(yī)院 心血管內(nèi)科,甘肅 蘭州 730000)

據(jù)統(tǒng)計糖尿病是并發(fā)癥較多的一種疾病,其中心血管并發(fā)癥是糖尿病患者致死、致殘的主要原因[1]。而糖尿病心肌病是糖尿病患者特有的,獨立于高血壓、冠心病、心臟瓣膜病,直接由糖尿病相關(guān)的糖脂代謝失調(diào)引起的以代謝障礙及心功能障礙為特征的心血管并發(fā)癥[2-3],主要表現(xiàn)為心肌纖維化、心肌細(xì)胞肥大和凋亡,與伴隨的大血管和微血管糖尿病并發(fā)癥無關(guān)[4]。糖尿病心肌病被認(rèn)為是復(fù)雜且獨特的,其發(fā)病原因較多,包括代謝異常、線粒體功能障礙、鈣調(diào)節(jié)失衡、炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激、心肌細(xì)胞凋亡及自噬相關(guān)通路的激活等[3, 5-6],但潛在的具體機制仍處于研究探索當(dāng)中。目前研究證實,高血糖可引起線粒體功能障礙, 進而引起活性氧(reactive oxygen species,ROS)生成增加、細(xì)胞內(nèi)能量代謝改變、葡萄糖攝取減少和游離脂肪酸氧化增加等病理過程[7]。線粒體轉(zhuǎn)錄因子A(mitochondrial transcription factor A,TFAM)是一種主要的線粒體基因調(diào)節(jié)因子,其微小的變化都會引起線粒體的功能障礙[8]。周益盛等[9]研究發(fā)現(xiàn)在db/db小鼠中,高糖環(huán)境使心肌組織中TFAM的表達(dá)降低,且隨著db/db小鼠周齡的增長,心臟組織中TFAM的表達(dá)逐漸降低。本文就線粒體功能紊亂致糖尿病心肌病的發(fā)生機制、TFAM對心肌細(xì)胞線粒體功能的影響、TFAM介導(dǎo)的線粒體功能障礙在糖尿病心肌病發(fā)生發(fā)展中的作用進行綜述,以期為臨床糖尿病心肌病的診治提供理論依據(jù)。

1 線粒體功能紊亂致糖尿病心肌病的發(fā)生機制

糖尿病心肌病的發(fā)病涉及脂質(zhì)積聚、氧化應(yīng)激、炎癥、細(xì)胞凋亡和能量受損等多種病理過程,而線粒體是細(xì)胞糖和脂肪酸的代謝中心,對能量產(chǎn)生、細(xì)胞代謝、鈣穩(wěn)態(tài)、細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)和細(xì)胞死亡程序的調(diào)節(jié)至關(guān)重要[10]。糖尿病心肌病的發(fā)病機制與線粒體功能異常有關(guān)[11],其中線粒體功能紊亂導(dǎo)致的氧化應(yīng)激和細(xì)胞凋亡是糖尿病心肌病的常見機制之一[12]。

1.1氧化應(yīng)激 氧化應(yīng)激是氧化系統(tǒng)和抗氧化系統(tǒng)間的失衡狀態(tài),線粒體為ROS生成的主要位點,正常情況下可維持機體氧化和抗氧化系統(tǒng)的平衡狀態(tài)[13]。但在某些病理情況下,減弱線粒體呼吸和膜電位可誘導(dǎo)線粒體功能障礙,ROS生成增加,氧化應(yīng)激增強[14]。研究顯示,ROS過度產(chǎn)生及線粒體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)失衡是氧化應(yīng)激的主要原因[15]。胰腺β細(xì)胞比其他細(xì)胞的自由基解毒酶和氧化還原調(diào)節(jié)酶水平低,因此2型糖尿病患者胰腺β細(xì)胞受損時抗氧化能力降低,ROS生成增加,氧化應(yīng)激增強。ROS作為蛋白質(zhì)氧化損傷的重要因素,在生理條件下可調(diào)節(jié)胰島素的分泌、維持線粒體正常功能; 在糖尿病等病理條件下,氧化代謝增強產(chǎn)生大量的ROS可進一步導(dǎo)致線粒體功能障礙,線粒體功能障礙常伴有形態(tài)改變、含量減少、呼吸鏈酶復(fù)合體活性降低、ATP 合成減少等病理變化,而上述病理變化均與糖尿病心肌病的發(fā)病密切相關(guān)[13, 16]。

1.2細(xì)胞凋亡 線粒體不僅通過氧化代謝產(chǎn)生ATP,還參與細(xì)胞凋亡、鈣離子轉(zhuǎn)運、炎癥反應(yīng)和自噬等多種生命活動[17]。在糖尿病等病理情況下,線粒體功能受損,氧化應(yīng)激增強。氧化應(yīng)激增強導(dǎo)致線粒體膜通透性轉(zhuǎn)換孔開放,造成線粒體膜電位喪失,進而導(dǎo)致ATP產(chǎn)生受阻、細(xì)胞色素C等蛋白釋放。細(xì)胞色素C等凋亡酶激活因子激活含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(cysteinyl aspartate specific proteinase,caspase), 活化的caspase可將細(xì)胞內(nèi)的重要蛋白降解,通過線粒體/細(xì)胞色素C介導(dǎo)的信號通路觸發(fā)內(nèi)源性細(xì)胞凋亡途徑[18]。其次也有研究發(fā)現(xiàn),高糖可激活心肌細(xì)胞外源性和內(nèi)源性凋亡通路關(guān)鍵啟動子caspase-8和caspase-9,隨后激活下游凋亡執(zhí)行者caspase-3,介導(dǎo)高糖誘導(dǎo)的乳鼠心肌細(xì)胞凋亡[19]。線粒體為細(xì)胞凋亡的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子,而細(xì)胞凋亡是糖尿病心肌病發(fā)生的關(guān)鍵細(xì)胞過程。

2 TFAM對心肌細(xì)胞線粒體功能的影響

線粒體是唯一有DNA的細(xì)胞器,受到核基因組DNA和線粒體DNA(mitochondrial DNA, mtDNA)的雙重遺傳控制, 其中mtDNA是細(xì)胞線粒體最重要的組成部分,它的拷貝數(shù)反映了線粒體DNA轉(zhuǎn)錄和ATP生成。mtDNA是一種16.5 kb的雙鏈環(huán)狀分子,可編碼氧化磷酸化復(fù)合物的13個蛋白質(zhì)亞基,盡管mtDNA編碼的13種蛋白質(zhì)亞基僅構(gòu)成氧化磷酸化的小部分,但mtDNA仍然是氧化磷酸化過程必不可少的基因組。當(dāng)mtDNA表達(dá)下降時,線粒體功能障礙,氧化磷酸化過程受損,ATP生成減少[20-23]。線粒體功能由mtDNA和調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)錄和復(fù)制的因子控制[24],而哺乳動物模型中mtDNA拷貝數(shù)的主要調(diào)控因子是TFAM[25],TFAM是mtDNA啟動子的特異性增強子,是高遷移率蛋白組的成員。研究表明,過表達(dá)TFAM可治療線粒體功能障礙介導(dǎo)的疾病[26]。TFAM在mtDNA轉(zhuǎn)錄激活過程、基因組復(fù)制及調(diào)節(jié)mtDNA拷貝數(shù)等過程中均發(fā)揮重要的調(diào)控作用,是mtDNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄所必需的包裝蛋白, 進一步維持線粒體功能[27-28]。TFAM由核基因組DNA編碼,在細(xì)胞質(zhì)中合成并導(dǎo)入線粒體[27], 通過將mtDNA的單個拷貝儲存在功能性線粒體類核中而起到保護心臟的作用[20]。其次TFAM的功能性線粒體類核成分為mtDNA的轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)導(dǎo)和修復(fù)等功能過程創(chuàng)造了一個安全的環(huán)境[10],因此TFAM與mtDNA的相互作用對于線粒體功能的維持至關(guān)重要[29]。此外TFAM可通過改變線粒體膜電位及向其他細(xì)胞器發(fā)出信號的方式來調(diào)節(jié)胞質(zhì)內(nèi)的Ca2+, 從而調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝[30]。有研究證實,高血糖可導(dǎo)致心肌細(xì)胞線粒體功能障礙,加重心肌細(xì)胞氧化應(yīng)激而導(dǎo)致心肌細(xì)胞損傷[15]。探究高糖狀態(tài)下心肌細(xì)胞中TFAM的表達(dá)及其對心肌細(xì)胞線粒體功能的影響,可深層次了解糖尿病心肌病的發(fā)生機制和尋找有效的治療靶點。

3 TFAM在糖尿病心肌病發(fā)生發(fā)展中的作用

線粒體的功能極其依賴mtDNA的原因是mtDNA位置特殊,其更容易受到ROS誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激損傷。而TFAM可通過與mtDNA的纏繞增加其穩(wěn)定性,保護mtDNA不被ROS降解,并與抗氧化劑(SOD-2)表達(dá)增加和潛在的氧化還原平衡相關(guān)[20, 31],維持線粒體功能穩(wěn)定。實驗研究表明,高糖環(huán)境下心肌組織中TFAM表達(dá)降低[9],心肌線粒體功能異常、線粒體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)受損,體內(nèi)產(chǎn)生過量ROS[17]。還有研究指出,在高血糖狀態(tài)下脂質(zhì)代謝紊亂和葡萄糖氧化增加等多種情況可使ROS大量產(chǎn)生, 超過抗氧化系統(tǒng)的清除能力,引起氧化應(yīng)激[32-33]。適度的氧化應(yīng)激可增加蛋白質(zhì)的活性,對機體有益,但過多的ROS簇產(chǎn)物可通過與脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和DNA間的相互作用引起病理改變[34]。ROS增加可直接引起分子損傷,進一步加重線粒體功能障礙,降低脂肪酸的氧化能力,導(dǎo)致糖尿病患者脂質(zhì)積聚、纖維化、心臟舒張功能障礙,甚至心力衰竭[35]。然而在病理條件(如糖尿病)下,機體抗氧化系統(tǒng)受到破壞,ROS加速積累,并導(dǎo)致氧化應(yīng)激增強,通過激活心肌細(xì)胞外源性和內(nèi)源性凋亡通路引起心肌細(xì)胞凋亡[19, 36]。目前已經(jīng)證實,糖尿病心肌病患者心肌細(xì)胞內(nèi)ROS增多,內(nèi)源性和外源性抗氧化系統(tǒng)被破壞,體內(nèi)氧化應(yīng)激增加[32, 37]。當(dāng)發(fā)生線粒體氧化應(yīng)激時,ROS增加可直接引起分子損傷,進一步加重線粒體功能障礙,而線粒體功能障礙時,抗氧化系統(tǒng)受損,ROS過度產(chǎn)生導(dǎo)致機體發(fā)生氧化應(yīng)激[35]。因此在糖尿病心肌病中發(fā)生氧化應(yīng)激和線粒體功能障礙時,二者相互作用進一步促進了糖尿病心肌病的進展。在結(jié)腸癌細(xì)胞中,TFAM的敲除導(dǎo)致mtDNA的數(shù)量降低,從而增加了mtDNA氧化損傷的修復(fù)時間,導(dǎo)致線粒體氧化應(yīng)激損傷的發(fā)生。此外,對黑腹果蠅的相關(guān)研究也表明,TFAM能夠清除線粒體的氧化應(yīng)激,抑制線粒體的過度損傷[38]。上述研究表明TFAM對氧化應(yīng)激的清除、降低相關(guān)疾病的發(fā)生率具有重要意義,推測在糖尿病心肌病中,TFAM也能夠清除線粒體的氧化應(yīng)激,延緩疾病的發(fā)展。其次另有研究指出,過表達(dá)TFAM可通過活化的T細(xì)胞的核內(nèi)因子通路延緩心肌細(xì)胞重塑[39]。也有實驗證實高糖環(huán)境下TFAM表達(dá)降低,心肌細(xì)胞線粒體功能障礙[9]。但在高糖環(huán)境下使心肌細(xì)胞過表達(dá)TFAM是否有利于線粒體功能的恢復(fù)以及具體分子機制尚未見研究報道。

4 小結(jié)與展望

隨著糖尿病患者數(shù)量的不斷增加,糖尿病心肌病作為糖尿病重要但尚未闡明的并發(fā)癥,已成為近年來的研究熱點。盡管既往有研究證實高血糖可導(dǎo)致TFAM表達(dá)降低、心肌細(xì)胞線粒體功能障礙、心肌細(xì)胞氧化應(yīng)激,從而導(dǎo)致心肌細(xì)胞損傷。但也有研究指出,TFAM能夠清除線粒體的氧化應(yīng)激,心肌細(xì)胞中過表達(dá)TFAM可提高線粒體ATP水平、細(xì)胞活力。但是在高糖環(huán)境下使心肌細(xì)胞過表達(dá)TFAM是否有利于線粒體功能的恢復(fù)以及具體分子機制尚未見研究報道。目前糖尿病心肌病的發(fā)病機制、診斷和治療仍是醫(yī)療界面臨的重要問題之一,所以通過對TFAM在糖尿病心肌病中的作用及潛在機制的研究有望能為糖尿病心肌病的診療提供理論依據(jù)。