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(jì)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(dú)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(dú)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(jī)制仍處于研究探索當(dāng)中。目前研究證實(shí),高血糖可引起線粒體功能障礙, 進(jìn)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(huì)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(jī)制、TFAM對(duì)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(jìn)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(jī)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(duì)能量產(chǎn)生、細(xì)胞代謝、鈣穩(wěn)態(tài)、細(xì)胞內(nèi)信號(hào)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(jī)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(jī)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(diǎn),正常情況下可維持機(jī)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(qiáng)[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(shí)抗氧化能力降低,ROS生成增加,氧化應(yīng)激增強(qiáng)。ROS作為蛋白質(zhì)氧化損傷的重要因素,在生理?xiàng)l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?xiàng)l件下,氧化代謝增強(qiáng)產(chǎn)生大量的ROS可進(jìn)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(yùn)、炎癥反應(yīng)和自噬等多種生命活動(dòng)[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(qiáng)。氧化應(yīng)激增強(qiáng)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(jìn)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(hào)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(dòng)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(duì)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(gè)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(shí),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(dòng)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(dòng)子的特異性增強(qiáng)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(jìn)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(gè)拷貝儲(chǔ)存在功能性線粒體類核中而起到保護(hù)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(gè)安全的環(huán)境[10],因此TFAM與mtDNA的相互作用對(duì)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(hào)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(shí),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(duì)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(jī)制和尋找有效的治療靶點(diǎn)。

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(hù)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(shí)驗(yàn)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(duì)機(jī)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(jìn)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?xiàng)l件(如糖尿病)下,機(jī)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(qiáng),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(shí),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(shí),ROS增加可直接引起分子損傷,進(jìn)一步加重線粒體功能障礙,而線粒體功能障礙時(shí),抗氧化系統(tǒng)受損,ROS過度產(chǎn)生導(dǎo)致機(jī)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(shí),二者相互作用進(jìn)一步促進(jìn)了糖尿病心肌病的進(jìn)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(shí)間,導(dǎo)致線粒體氧化應(yīng)激損傷的發(fā)生。此外,對(duì)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(duì)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(shí)驗(yàn)證實(shí)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(jī)制尚未見研究報(bào)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(diǎn)。盡管既往有研究證實(shí)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(jī)制尚未見研究報(bào)道。目前糖尿病心肌病的發(fā)病機(jī)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(duì)TFAM在糖尿病心肌病中的作用及潛在機(jī)制的研究有望能為糖尿病心肌病的診療提供理論依據(jù)。