肝線(xiàn)粒體功能障礙在非酒精性脂肪性肝病發(fā)病中的作用機(jī)制

楊冰清，尹靜亞，王 琦

首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京地壇醫(yī)院肝病中心，北京 100015

非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）是指除外酒精和其他明確的肝損傷因素所致的肝細(xì)胞內(nèi)脂肪過(guò)度沉積為主要特征的臨床病理綜合征，包括單純性脂肪肝（NAFL）、非酒精性脂肪性肝炎（NASH）、NASH 相關(guān)性肝纖維化、肝硬化和肝細(xì)胞癌等［1-2］。NAFLD已成為最常見(jiàn)的慢性肝病，全世界總患病率為32.4%［3］。當(dāng)前針對(duì)NAFLD的治療策略有效性不佳，深入研究發(fā)病機(jī)制具有重大意義。目前廣為認(rèn)可的發(fā)病機(jī)制是“多重打擊”學(xué)說(shuō)，即胰島素抵抗、線(xiàn)粒體功能障礙、炎癥激活、飲食因素和遺傳因素等均參與NAFLD 的疾病進(jìn)展［4］。其中肝線(xiàn)粒體功能障礙發(fā)揮重要作用，包括線(xiàn)粒體形態(tài)學(xué)改變、線(xiàn)粒體DNA損傷、脂肪酸代謝紊亂和能量代謝異常、氧化應(yīng)激、脂質(zhì)過(guò)氧化和線(xiàn)粒體自噬異常等［5］。因此，針對(duì)肝線(xiàn)粒體的研究已經(jīng)成為NAFLD防治一個(gè)新的、重要的突破口。

1 肝線(xiàn)粒體的生理功能

1.1 肝線(xiàn)粒體參與能量代謝

線(xiàn)粒體最重要的作用是通過(guò)氧化磷酸化產(chǎn)生ATP向細(xì)胞提供能量，細(xì)胞生命活動(dòng)95%的能量來(lái)自線(xiàn)粒體。三大能源物質(zhì)糖、脂肪和氨基酸在線(xiàn)粒體氧化釋放能量，其共同途徑是三羧酸循環(huán)（TCA）和呼吸鏈的氧化磷酸化（OXPHOS）［6］。

1.1.1 脂肪酸的氧化 線(xiàn)粒體中，長(zhǎng)鏈脂肪酸通過(guò)脂酰CoA 合成酶催化為脂酰CoA，在肉堿酯酰轉(zhuǎn)移酶-1 和肉堿-脂酰肉堿轉(zhuǎn)位酶的作用下進(jìn)入線(xiàn)粒體基質(zhì)，脂酰CoA經(jīng)β-氧化生成乙酰CoA，再經(jīng)過(guò)TCA被徹底氧化［7］。

1.1.2 TCA 乙酰CoA 和草酰乙酸合成檸檬酸，經(jīng)一系列反應(yīng)和多次氧化脫羧，最終降解成草酰乙酸。此過(guò)程伴隨著CO2的生成，并釋放大量的能量。

1.1.3 OXPHOS TCA 中產(chǎn)生的H+與遞H 體結(jié)合，形成還原型輔酶Ⅰ和還原型黃素二核苷酸，電子在電子傳遞鏈（electron transfer chain，ETC）最終傳給基質(zhì)中的O2，生成H2O。線(xiàn)粒體基質(zhì)泵出H+，產(chǎn)生跨膜電化學(xué)勢(shì)能，這種勢(shì)能又驅(qū)使H+通過(guò)ATP合酶重新回到線(xiàn)粒體基質(zhì)，伴隨ETC的氧化同時(shí)合成ATP。

1.2 肝線(xiàn)粒體調(diào)節(jié)細(xì)胞程序性死亡 線(xiàn)粒體在調(diào)節(jié)細(xì)胞程序性死亡中扮演著重要作用，參與細(xì)胞凋亡、細(xì)胞焦亡、細(xì)胞自噬、壞死性凋亡、鐵死亡和銅死亡等［8］。

1.3 肝線(xiàn)粒體的可塑性/適應(yīng)性

線(xiàn)粒體是高度動(dòng)態(tài)化的細(xì)胞器，細(xì)胞能量需求增加時(shí)，其結(jié)構(gòu)和功能都會(huì)產(chǎn)生適應(yīng)性的變化以滿(mǎn)足細(xì)胞的能量需求。

1.3.1 線(xiàn)粒體分裂/融合的動(dòng)態(tài)平衡 線(xiàn)粒體通過(guò)分裂、融合的動(dòng)態(tài)平衡控制自身的形態(tài)，形成獨(dú)特的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來(lái)維持細(xì)胞正常生理功能和調(diào)控能量代謝［9］。線(xiàn)粒體的融合過(guò)程主要由動(dòng)力蛋白超家族介導(dǎo)；分裂由動(dòng)力相關(guān)蛋白介導(dǎo)［10］。

1.3.2 線(xiàn)粒體的生物合成 線(xiàn)粒體的生物合成包括增殖和分化。增殖引起數(shù)量改變，分化引起功能性與結(jié)構(gòu)性的改變［11］。

1.3.3 線(xiàn)粒體自噬 線(xiàn)粒體自噬是指自噬小體包裹線(xiàn)粒體并融合溶酶體，降解清除老化、損傷的線(xiàn)粒體，以維持細(xì)胞平衡和抑制活性氧（ROS）的產(chǎn)生［12-13］。線(xiàn)粒體質(zhì)量受線(xiàn)粒體生物合成與自噬共同調(diào)節(jié)控制。

2 肝線(xiàn)粒體功能障礙與代謝相關(guān)肝臟疾病

2.1 單純性肥胖中肝線(xiàn)粒體的改變 研究［14］表明，單純性肥胖者和健康者肝線(xiàn)粒體含量相似，但肥胖者肝線(xiàn)粒體最大呼吸速率比健康者高4～5倍，提示肥胖者線(xiàn)粒體ETC 復(fù)合物的活性更高、呼吸能力更強(qiáng)。另一項(xiàng)研究［15］分別對(duì)肥胖有抗性的A/J 小鼠和敏感性的C57BL/6小鼠進(jìn)行基因富集分析發(fā)現(xiàn)，相比C57BL/6 小鼠，A/J 小鼠肝線(xiàn)粒體ETC 復(fù)合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ的13 個(gè)OXPHOS基因顯著增加。高脂飲食喂養(yǎng)后，兩類(lèi)小鼠肝線(xiàn)粒體產(chǎn)生同樣的ATP，但A/J 小鼠線(xiàn)粒體的最大呼吸速率更高，表明A/J 小鼠肝線(xiàn)粒體解偶聯(lián)呼吸增加。研究［12］證明當(dāng)肝脂肪超載和能量需求增加時(shí)，肝線(xiàn)粒體能夠調(diào)節(jié)自身來(lái)適應(yīng)能量改變，阻止肥胖向NAFLD的進(jìn)展。

2.2 NAFL 中肝線(xiàn)粒體的改變 Petersen 等［16］研究表明，NAFL 患者和健康者的肝線(xiàn)粒體脂肪酸氧化速率沒(méi)有差異。但也有研究［17］發(fā)現(xiàn)，NAFL 患者比健康者肝線(xiàn)粒體TCA 速率更高，且增加的倍數(shù)與肝內(nèi)甘油三酯含量呈正相關(guān)，表明伴隨肝脂質(zhì)堆積，線(xiàn)粒體氧化活性增強(qiáng)。Pedersen 等［18］發(fā)現(xiàn)，NAFL 患者比健康者肝線(xiàn)粒體的最大呼吸速率增加?？傊?，NAFL 患者肝臟慢性脂質(zhì)過(guò)載進(jìn)一步增強(qiáng)了肝線(xiàn)粒體的氧化代謝，導(dǎo)致氧化應(yīng)激，損害線(xiàn)粒體，并從良性脂肪變性進(jìn)展為NASH［19］。

2.3 NASH中肝線(xiàn)粒體的改變

NAFL 進(jìn)展為NASH 時(shí)，肝線(xiàn)粒體進(jìn)一步受損，包括肝線(xiàn)粒體結(jié)構(gòu)改變、mtDNA 損傷、呼吸代謝下降和解偶聯(lián)呼吸增強(qiáng)、脂肪酸氧化異常、ROS 過(guò)度生成、肝線(xiàn)粒體適應(yīng)性下降和磷脂成分改變等。這些病理變化互相影響，加重肝脂肪變性，引發(fā)炎癥及肝細(xì)胞死亡，促進(jìn)NASH發(fā)展。

2.3.1 肝線(xiàn)粒體結(jié)構(gòu)的改變 研究［20］發(fā)現(xiàn)，NASH 患者肝線(xiàn)粒體形態(tài)高度異常，包括肝線(xiàn)粒體腫脹變圓、多層、嵴斷裂消失、含有堆疊的晶狀包涵體以及巨線(xiàn)粒體等。

2.3.2 mtDNA 損傷和復(fù)制受抑 NASH 患者mtDNA 出現(xiàn)損傷，損傷的mtDNA 激活TNFα 上游的Toll 樣受體9引發(fā)炎癥，加重NASH［21］。研究［22］發(fā)現(xiàn)，NASH 患者的死亡相關(guān)凋亡誘導(dǎo)蛋白激酶2-絲氨酸/精氨酸富集剪接因子6 信號(hào)通路被抑制，引起編碼mtDNA 復(fù)制機(jī)制酶的DNA 聚合酶γ2基因病理性剪接，抑制mtDNA 復(fù)制，導(dǎo)致肝線(xiàn)粒體數(shù)量減少和ETC 蛋白缺失，破壞線(xiàn)粒體介導(dǎo)的呼吸作用。

2.3.3 肝線(xiàn)粒體呼吸代謝下降和解偶聯(lián)呼吸增加 研究［14］發(fā)現(xiàn)，NASH 患者肝線(xiàn)粒體的最大呼吸速率低于健康者，ETC復(fù)合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ表達(dá)降低，導(dǎo)致ETC活性下降。解偶聯(lián)蛋白-2（uncoupling protein-2，UCP-2）是線(xiàn)粒體UCP家族成員，UCP介導(dǎo)H+不通過(guò)ATP合酶從線(xiàn)粒體內(nèi)膜滲漏到線(xiàn)粒體基質(zhì)（質(zhì)子滲漏），降低內(nèi)外膜的勢(shì)能差但不產(chǎn)生ATP，直接將勢(shì)能轉(zhuǎn)化為熱能釋放。生理狀態(tài)，肝細(xì)胞不表達(dá)UCP-2，但NASH患者過(guò)表達(dá)UCP-2，線(xiàn)粒體質(zhì)子泄漏率增加，減輕氧化還原壓力，但能量合成效率也降低，使肝細(xì)胞合成的ATP 不滿(mǎn)足細(xì)胞活動(dòng)所需［23］。ATP耗竭實(shí)驗(yàn)［24］表明，NASH 患者肝臟ATP耗竭后的恢復(fù)效率顯著降低，線(xiàn)粒體無(wú)法為細(xì)胞活動(dòng)提供足夠的能量，加劇NASH。

2.3.4 肝線(xiàn)粒體氧化損傷和產(chǎn)生大量ROS NASH 患者肝線(xiàn)粒體中，參與抗氧化防御的H2O2酶活性下降，而DNA 氧化損傷的標(biāo)志物8-羥基-脫氧鳥(niǎo)苷表達(dá)增加。動(dòng)物研究［14］發(fā)現(xiàn)，NASH 小鼠肝線(xiàn)粒體氧化應(yīng)激和炎性途徑如c-Jun氨基端蛋白激酶/核因子κB 信號(hào)通路被激活，也提示NASH 肝臟存在氧化損傷。同時(shí)，線(xiàn)粒體抗氧化能力的下降又使線(xiàn)粒體更容易氧化損傷，導(dǎo)致線(xiàn)粒體功能障礙并生成大量ROS［25］。生理狀態(tài)下，肝線(xiàn)粒體ETC產(chǎn)生的少量ROS 可被抗氧化防御系統(tǒng)解毒，但NASH 患者肝線(xiàn)粒體脂肪酸氧化增加（還原型輔酶Ⅰ生成增加）和ETC 損傷（ETC 內(nèi)的電子流部分被阻斷），產(chǎn)生過(guò)量ROS 損害OXPHOS 蛋白和mtDNA，這種氧化損傷加重了線(xiàn)粒體功能障礙，進(jìn)一步增加電子泄漏和ROS 形成，導(dǎo)致惡性循環(huán)［26］。

2.3.5 肝線(xiàn)粒體分裂/融合的動(dòng)態(tài)平衡失調(diào) 與健康小鼠相比，NASH小鼠調(diào)控肝線(xiàn)粒體融合的線(xiàn)粒體融合蛋白1/2和視神經(jīng)萎縮蛋白1水平顯著降低，提示NASH 小鼠肝線(xiàn)粒體融合缺陷［27］。而肝線(xiàn)粒體過(guò)度分裂，加劇NASH的肝臟炎癥和纖維化［28］。

2.3.6 肝線(xiàn)粒體自噬受抑 NASH 患者肝線(xiàn)粒體自噬調(diào)節(jié)基因缺失，線(xiàn)粒體自噬受抑制，且抑制的程度與NASH 嚴(yán)重程度呈正相關(guān)，導(dǎo)致受損線(xiàn)粒體蓄積、細(xì)胞壞死和釋放線(xiàn)粒體中的細(xì)菌殘余（低甲基化的CpG 基序和甲酰肽），進(jìn)一步促進(jìn)肝臟炎癥和NASH［5］。

2.3.7 肝線(xiàn)粒體生物合成下降 NASH患者調(diào)節(jié)肝線(xiàn)粒體生物合成的轉(zhuǎn)錄因子AMP活化蛋白激酶、過(guò)氧化物酶體增生物激活受體γ 共激活因子-1α、線(xiàn)粒體轉(zhuǎn)錄因子A和核呼吸因子1/2表達(dá)下降，線(xiàn)粒體生物合成下降，肝線(xiàn)粒體氧化能力受損，加重肝脂肪變性［14］。

2.3.8 肝線(xiàn)粒體膜磷脂成分的改變 研究［29］表明，NASH

患者肝線(xiàn)粒體膜磷脂成分改變，影響肝線(xiàn)粒體功能，包括線(xiàn)粒體動(dòng)力學(xué)、ETC 活性和線(xiàn)粒體自噬等。已有研究［27］發(fā)現(xiàn)，NASH患者肝細(xì)胞磷脂合成有關(guān)的酶CDP-二?；视秃厦?缺乏，肝細(xì)胞磷脂合成減少，損害肝線(xiàn)粒體的形態(tài)和功能，同時(shí)加重肝脂肪變性和纖維化。

2.3.9 NASH 患者血漿脂質(zhì)的改變 NASH 患者的嚴(yán)重程度與一些血漿脂質(zhì)含量改變有關(guān)。肝內(nèi)甘油二酯和神經(jīng)鞘脂類(lèi)物質(zhì)在NASH 中增加，且與肝臟氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)呈正相關(guān)［30-31］。有研究［32］發(fā)現(xiàn)將血脂變量三酰甘油、二酰甘油和鞘脂等添加到常規(guī)標(biāo)志物中，顯著提高了NASH 的診斷準(zhǔn)確性。雖然沒(méi)有達(dá)到指導(dǎo)臨床診斷的區(qū)分水平，但這些結(jié)果顯示了脂質(zhì)組學(xué)作為NAFLD特別是NASH的非侵入性生物標(biāo)志物的潛力。

另外，最新研究［33］證實(shí)，線(xiàn)粒體丙酮酸載體蛋白1的表達(dá)與NAFLD 肝脂質(zhì)沉積呈正相關(guān)，其在小鼠肝細(xì)胞中的表達(dá)被敲減后可以改善肝細(xì)胞脂肪變性。存在于線(xiàn)粒體和細(xì)胞核中的雙細(xì)胞器蛋白，可以通過(guò)激活Notch 通路和增強(qiáng)骨橋蛋白的產(chǎn)生促進(jìn)NASH 肝纖維化［34］。

3 小結(jié)與展望

NAFLD的發(fā)生發(fā)展與肝線(xiàn)粒體功能障礙密不可分［35］。早期評(píng)估線(xiàn)粒體功能障礙對(duì)NAFLD 的診斷并控制其進(jìn)展具有重要意義，但評(píng)估肝線(xiàn)粒體形態(tài)、數(shù)量和質(zhì)量仍具有挑戰(zhàn)性［36］。目前，評(píng)價(jià)線(xiàn)粒體含量的金標(biāo)準(zhǔn)是透射電鏡，但成本高、耗時(shí)長(zhǎng)的缺點(diǎn)限制了其應(yīng)用［37］。因此，研發(fā)更易檢測(cè)、準(zhǔn)確性高的無(wú)創(chuàng)診斷生物標(biāo)志物極為重要。最近，肝線(xiàn)粒體無(wú)創(chuàng)性生物標(biāo)志物如細(xì)胞外囊泡［38］和循環(huán)無(wú)細(xì)胞線(xiàn)粒體［39］的研究取得了新進(jìn)展，這些標(biāo)志物持續(xù)反映肝臟的變化和肝細(xì)胞的損傷，具有廣闊的應(yīng)用前景。

NAFLD發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，許多新藥還處于臨床研究階段，安全性和有效性還需進(jìn)一步驗(yàn)證。已有大量研究從線(xiàn)粒體動(dòng)力學(xué)、mtDNA、線(xiàn)粒體ROS 的產(chǎn)生及其抗氧化防御機(jī)制角度，闡述線(xiàn)粒體與NAFLD 的密切關(guān)系，提示線(xiàn)粒體靶向治療是一個(gè)有前景的治療領(lǐng)域，希望未來(lái)通過(guò)深入、系統(tǒng)的研究為NAFLD 的預(yù)防和治療開(kāi)辟新途徑。

利益沖突聲明：本文不存在任何利益沖突。

作者貢獻(xiàn)聲明：楊冰清負(fù)責(zé)參考文獻(xiàn)查閱及撰寫(xiě)論文；尹靜亞參與論文修改；王琦負(fù)責(zé)綜述構(gòu)架制訂，論文審校及最后定稿。