線粒體功能障礙與糖尿病腎病相關(guān)信號通路關(guān)系研究進(jìn)展

陳保江，胡存靜，欒仲秋

糖尿病腎病（diabetic kidney disease，DKD）是糖尿病患者死亡的主要原因，也是終末期腎臟?。╡nd stage renal disease，ESRD）的主要原因。國際糖尿病聯(lián)盟統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2017年全球約有4.25億糖尿病患者，占全世界人口的3.30%；在我國，糖尿病患者數(shù)量占總?cè)藬?shù)的11.2%；在美國，約54%的1型糖尿病患者最終將接受腎臟替代療法［1］。DKD的發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，主要包括腎臟血流動力學(xué)改變、氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)、缺氧和腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)（renin-angiotensin-aldosteron system，RAAS）過度激活等。線粒體是儲存能量及為細(xì)胞提供能量的場所，具有多種重要的生理功能，是機(jī)體活性氧的重要來源［2］，故線粒體功能障礙對腎臟病的發(fā)生具有至關(guān)重要的作用［3］。本文主要綜述了線粒體功能障礙與DKD相關(guān)信號通路關(guān)系的研究進(jìn)展，以期為延緩DKD病情進(jìn)展提供新的治療靶點(diǎn)及策略。

1 NOX信號通路

1.1 NOX信號通路參與DKD的發(fā)生 近年單個NOX亞型在DKD發(fā)病機(jī)制中的作用取得了重大進(jìn)展［4］。生理條件下，大多數(shù)NOX不具有或僅具有非常低的組織活性，但其在轉(zhuǎn)錄或翻譯過程中的活性可能升高，此外在高血壓和糖尿病等疾病狀態(tài)下NOX酶可能被激活［5］。而NOX活性升高會導(dǎo)致氧化應(yīng)激增強(qiáng)，最終導(dǎo)致組織損傷［6］。迄今為止，在各種組織中已鑒定出7種已知的NOX亞型，分別為NOX1、NOX2、NOX3、NOX4、NOX5、雙氧化酶（dual oxidase，DUOX）1、DUOX2［7］，其中NOX4在腎臟中分布較豐富，被認(rèn)為是腎臟特有的NOX亞型，但近期研究發(fā)現(xiàn)其還存在于非腎臟細(xì)胞（包括破骨細(xì)胞、神經(jīng)元、成纖維細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞、心肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞）中［8］。目前，因為缺乏可靠的抗NOX4抗體，雖然NOX4已被證實與區(qū)室或細(xì)胞器的細(xì)胞內(nèi)膜有關(guān)［9］，但NOX4的亞細(xì)胞定位仍存在爭議。人類NOX5是Ca2+在睪丸、淋巴組織及血管、腎臟細(xì)胞中的依賴性同系物，可見NOX對基本生物反應(yīng)至關(guān)重要。高糖環(huán)境下，腎臟活性氧增加；同時，葡萄糖又會促進(jìn)腎小管上皮細(xì)胞鈉-葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)，使其對葡萄糖的重吸收增加，增多的葡萄糖又會轉(zhuǎn)化為更多果糖，從而導(dǎo)致尿酸增加，刺激NOX釋放大量活性氧，加重腎組織損傷，形成惡性循環(huán)［10］。因此，NOX在DKD進(jìn)展中具有重要作用。

1.2 NOX信號通路與線粒體功能障礙的關(guān)系 NOX與線粒體之間的“串?dāng)_”已被作為組織氧化還原信號傳導(dǎo)的正前饋機(jī)制。研究表明，過氧化氫可激活NOX2或p22phox，進(jìn)而產(chǎn)生成纖維細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞；非耦合內(nèi)皮一氧化氮合酶可以產(chǎn)生氧氣，進(jìn)而促進(jìn)線粒體產(chǎn)生活性氧，而NOX來源的活性氧又可增加線粒體的活性氧，進(jìn)而刺激NOX活化［11］。上述這種正前饋機(jī)制可以靶向抑制與氧化應(yīng)激相關(guān)的病理性血管生成，進(jìn)而改善多余血管生成情況。YANG等［12］研究表明，轉(zhuǎn)化生長因子（transforming growth factor，TGF）-β通過促進(jìn)NOX表達(dá)而影響線粒體功能，進(jìn)而產(chǎn)生大量活性氧，表明NOX在線粒體損傷過程中發(fā)揮著關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用。

2 BNIP3/NIX信號通路

2.1 BNIP3/NIX信號通路參與DKD的發(fā)生 研究發(fā)現(xiàn)，在DKD患者腎臟中有線粒體自噬小體聚集，提示DKD的發(fā)病可能受到線粒體自噬的影響［13］。YAO等［14］研究發(fā)現(xiàn)，BNIP3/NIX信號通路可以調(diào)節(jié)線粒體自噬，從而有效減少線粒體斷裂，降低線粒體膜電位，抑制線粒體超氧化物和活性氧的過度產(chǎn)生及高糖誘導(dǎo)的腎小球系膜細(xì)胞中纖連蛋白、膠原蛋白Ⅳ、細(xì)胞間黏附分子的表達(dá)，從而達(dá)到防治DKD的目的。

2.2 BNIP3/NIX信號通路與線粒體功能障礙的關(guān)系 近年研究表明，線粒體可促進(jìn)DKD的發(fā)生發(fā)展，而BNIP3是與線粒體功能密切相關(guān)的Bcl-3蛋白家族成員［15］。缺氧環(huán)境下，BNIP3被激活，其主要作為細(xì)胞死亡調(diào)節(jié)劑而影響細(xì)胞死亡途徑，包括細(xì)胞凋亡、壞死性細(xì)胞死亡、自噬及其特殊形式線粒體自噬；此外，BNIP3還可調(diào)控不同的代謝途徑，如脂質(zhì)代謝、糖酵解和線粒體生物能量學(xué)［16］。FIELD等［17］研究表明，當(dāng)細(xì)胞處于缺血和缺氧狀態(tài)時，BNIP3在線粒體外膜呈高表達(dá)。研究發(fā)現(xiàn)，一種新的脂毒性觸發(fā)的信號級聯(lián)反應(yīng)依賴BNIP3進(jìn)行調(diào)節(jié)，其可導(dǎo)致腎上腺素信號敏感度降低，而腎上腺素信號傳導(dǎo)可以促進(jìn)環(huán)磷酸腺苷生成，進(jìn)而激活PRKA/蛋白激酶A（protein kinase A，PKA），從而抑制BNIP3功能并恢復(fù)胰島素信號傳導(dǎo)［15］。

NIX是一種線粒體外膜的功能蛋白，其與原始吞噬細(xì)胞中微管相關(guān)蛋白輕鏈3（microtubule-associated protein light chain 3，LC3）相關(guān)分子相互作用后可誘導(dǎo)線粒體自噬、清除受損的線粒體。

綜上，BNIP3和NIX均是缺氧誘導(dǎo)基因，可以編碼分子適配器，通過與新生吞噬細(xì)胞中加工的LC3相關(guān)分子相互作用而促進(jìn)線粒體自噬。

3 TGF-β1/Smads信號通路

3.1 TGF-β1/Smads信號通路參與DKD的發(fā)生 腎臟纖維化是DKD的典型特征，TGF-β1/Smad信號通路是腎臟纖維化的關(guān)鍵信號通路，其中TGF-β1是介導(dǎo)腎臟纖維化的關(guān)鍵因子，Smads蛋白是TGF-β1信號通路下游的主要效應(yīng)分子，TGF-β1通過誘導(dǎo)Smads活化而介導(dǎo)腎臟纖維化，磷酸化Smad2和Smad3與Smad4結(jié)合形成Smad復(fù)合物，導(dǎo)致miRNA-21表達(dá)上調(diào)及腎臟纖維化進(jìn)展［18］。值得注意的是，miRNA-21可以抑制Smad7表達(dá)，正常情況下可以作為TGF-β1/Smad3信號通路的負(fù)調(diào)節(jié)因子。Smad2可以抑制Smad3與TGF-βⅠ型受體結(jié)合及阻斷Smad3核易位，進(jìn)而預(yù)防腎臟纖維化，如高血壓腎病和腎小球疾?。ò↖gA腎病、局灶性節(jié)段性腎小球硬化、狼瘡性腎炎、新月體腎小球腎炎）等。動物實驗表明，血液循環(huán)中TGF-β1水平升高的轉(zhuǎn)基因小鼠在無任何額外損傷的情況下發(fā)生了腎小球硬化及腎小管間質(zhì)纖維化［19］。因此，通過調(diào)控TGF-β1/Smads信號通路可有效減輕腎臟纖維化，從而降低DKD發(fā)病風(fēng)險。

3.2 TGF-β1/Smads信號通路與線粒體功能障礙的關(guān)系 研究表明，TGF-β1可以通過激活Smad信號通路而發(fā)揮其生物學(xué)功能［20］。TGF-β1是TGF-β家族成員中最豐富的亞型，其可由所有類型的腎臟細(xì)胞和浸潤的炎性細(xì)胞所分泌。Smad轉(zhuǎn)錄因子位于TGF-β信號通路的中心［21］。TGF-β1/Smads通過向線粒體傳遞信號而控制炎癥反應(yīng)，若線粒體功能發(fā)生障礙則TGF-β1/Smads信號通路傳導(dǎo)受阻，炎癥調(diào)控失調(diào)，進(jìn)而導(dǎo)致腎臟細(xì)胞損傷。因此，定向阻止TGF-β1/Smads信號通路向線粒體傳遞信號可能成為延緩腎臟組織炎癥及腎臟纖維化的治療方案。

4 過氧化物酶體增殖物激活受體γ 輔激活子1 α（peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator 1α，PGC-1α）信號通路

4.1 PGC-1α信號通路參與DKD的發(fā)生 關(guān)于PGC-1α在DKD中作用的研究較多。LIU等［22］研究表明，PGC-1α激活劑在1型糖尿病和2型糖尿病患者中均具有腎臟保護(hù)作用。FONTECHA-BARRIUSO等［23］研究表明，丙酮酸激酶M2活化和Rap2B GTP酶可通過促進(jìn)PGC-1α表達(dá)而逆轉(zhuǎn)鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的1型糖尿病小鼠的線粒體功能障礙。動物實驗表明，在采用SIRT1誘導(dǎo)劑和厚樸酚處理的BTBR ob/ob小鼠的腎小球中可觀察到PGC-1α對線粒體穩(wěn)態(tài)具有維持作用［24］；足細(xì)胞特異性過表達(dá)TUG1不僅可改善線粒體生物能量，還可促進(jìn)PGC-1α及其靶基因的表達(dá)［25］。在高糖環(huán)境下，PGC-1α過表達(dá)在腎小管細(xì)胞中具有保護(hù)作用。SIRT1激動劑（如白藜蘆醇）通過促進(jìn)PGC-1α表達(dá)可預(yù)防高葡萄糖介導(dǎo)的線粒體損傷并減輕氧化應(yīng)激［26］，但PGC-1α過表達(dá)會導(dǎo)致腎小球塌陷。CKD與腎臟纖維化有關(guān)，而TGF-β1是腎臟纖維化的關(guān)鍵驅(qū)動因素，其可下調(diào)PGC-1α表達(dá)，導(dǎo)致脂質(zhì)積累和脂肪酸氧化［27］。研究表明，與非糖尿病患者相比，糖尿病患者腎臟PGC-1α表達(dá)能力減弱，提示PGC-1α或許是DKD發(fā)病的一個關(guān)鍵因素［28］。因此，上調(diào)糖尿病大鼠腎臟細(xì)胞中PGC-1α表達(dá)可減少腎小球系膜的肥大增生。另有研究報道，過表達(dá)PGC-1α能改善DKD表型［29］。上述數(shù)據(jù)支持PGC-1α可通過改善腎臟病患者的線粒體功能而發(fā)揮腎臟保護(hù)作用。

4.2 PGC-1α信號通路與線粒體功能障礙的關(guān)系 線粒體通過氧化磷酸化合成ATP，從而為細(xì)胞提供能量，而PGC-1α是促進(jìn)線粒體生物發(fā)生、增強(qiáng)其呼吸能力和氧化磷酸化的激活因子［30］。線粒體生物發(fā)生是一個復(fù)雜過程，涉及線粒體內(nèi)外膜的合成、線粒體編碼蛋白質(zhì)的合成和導(dǎo)入及線粒體DNA的復(fù)制，而上述復(fù)雜過程需要核基因組和線粒體基因組協(xié)調(diào)完成。PGC-1α可能與其他核因子相互作用，從而調(diào)節(jié)線粒體內(nèi)外細(xì)胞能量代謝的多種途徑，如參與線粒體脂肪酸氧化、脂肪生成、產(chǎn)熱和葡萄糖代謝，進(jìn)而在心臟、骨骼肌、腦和腎臟等高代謝需求的器官中發(fā)揮重要作用。因此，PGC-1α已成為糖尿病等代謝性疾病的研究熱點(diǎn)［31］。

5 Notch信號通路

5.1 Notch信號通路參與DKD的發(fā)生 Notch1是Notch信號通路的膜受體，其在腎臟胚胎發(fā)育過程中的細(xì)胞分化環(huán)節(jié)起重要作用，但在腎臟成熟后其作用開始減弱［32］。研究表明，在高糖環(huán)境下，Notch1在足細(xì)胞中被重新激活后其功能失調(diào)，進(jìn)而通過誘導(dǎo)上皮細(xì)胞-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）而使細(xì)胞凋亡、自噬及足細(xì)胞數(shù)量減少，進(jìn)而使炎癥反應(yīng)減弱［33］。因此，Notch的異常表達(dá)與DKD相關(guān)。研究表明，在DKD腎活檢標(biāo)本中及db/db2型DKD模型小鼠中Notch信號通路被激活，而激活的Notch信號通路又可促進(jìn)糖尿病蛋白尿的發(fā)生［34］。

5.2 Notch信號通路與線粒體功能障礙的關(guān)系 研究表明，在DKD進(jìn)展過程中，腎功能降低、腎小球硬化程度與Notch表達(dá)水平相關(guān)［35］；在轉(zhuǎn)基因小鼠中caspase信號通路能被Notch1信號激活，進(jìn)而誘導(dǎo)足細(xì)胞凋亡，導(dǎo)致腎小球系膜增生、孔隙擴(kuò)大、蛋白尿形成，最終引起腎間質(zhì)纖維化等，而腎間質(zhì)纖維化又可引起腎實質(zhì)細(xì)胞損傷、腎小管上皮細(xì)胞再生能力喪失、間質(zhì)毛細(xì)血管完整性受損，進(jìn)而導(dǎo)致組織缺氧、加重組織損傷和纖維化［36］。Drp1/Dmlp、Fis1等蛋白均可參與線粒體外膜分裂，其中Drp1是Dynamin超家族成員，研究表明，在細(xì)胞凋亡早期Drp1會從胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到線粒體并呈點(diǎn)狀聚集，其早于caspase活化；而抑制Drp1表達(dá)不僅可以抑制線粒體分裂，還可以減慢或抑制capase活化，繼而引起細(xì)胞凋亡［37］。綜上，線粒體功能障礙會導(dǎo)致Drp1轉(zhuǎn)移受阻，抑制caspase信號通路激活，進(jìn)而影響細(xì)胞凋亡。

6 小結(jié)

腎臟是人體耗氧量第二位的器官，持續(xù)高血糖會通過多種途徑造成線粒體功能障礙，導(dǎo)致腎臟能量供應(yīng)不足，進(jìn)而導(dǎo)致其無法發(fā)揮正常的生理功能。近年來，DKD的臨床治療已取得較大進(jìn)展，但仍無明確的靶向治療藥物或精準(zhǔn)的臨床治療手段。本文通過分析線粒體功能障礙與DKD的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，線粒體與DKD發(fā)病過程中的信號通路有關(guān)，包括NOX信號通路、BNIP3/NIX信號通路、TGF-β1/Smads信號通路、PGC-1α信號通路、Notch信號通路，這為防治DKD提供了新的思路及治療靶點(diǎn)，即通過干預(yù)相關(guān)信號通路減緩線粒體功能障礙或可減輕/預(yù)防DKD的發(fā)生，但具體措施仍有待進(jìn)一步探究。

作者貢獻(xiàn)：陳保江進(jìn)行文章的構(gòu)思與設(shè)計、可行性分析及文獻(xiàn)/資料收集，撰寫、修訂論文；胡存靜進(jìn)行文獻(xiàn)/資料整理；欒仲秋負(fù)責(zé)文章的質(zhì)量控制及審校，并對文章整體負(fù)責(zé)、監(jiān)督管理。

本文無利益沖突。