從線粒體動力學角度探索腎臟病治療新策略

余宗超　尹良紅　劉璠娜

510632 廣州，暨南大學附屬第一醫院腎內科

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從線粒體動力學角度探索腎臟病治療新策略

余宗超尹良紅劉璠娜

510632 廣州，暨南大學附屬第一醫院腎內科

【摘要】線粒體是真核生物細胞中一種高度動態變化的細胞器，通過不斷的融合分裂，維持線粒體網絡的穩態，線粒體的動態平衡對腎臟、心臟、骨骼肌等組織器官功能的維持起著至關重要的作用。線粒體動力學在腎臟疾病發生、發展過程中的作用尚未完全闡明，但越來越多的證據表明，線粒體動力學改變廣泛參與急性腎衰竭和糖尿病腎病等腎臟疾病的病理變化過程，該文介紹了近年來線粒體動力學與腎臟疾病病理變化研究所取得的最新進展，并提出腎臟病防治的新策略。

【關鍵詞】腎臟病；線粒體動力學；線粒體分裂；線粒體融合

終末期腎臟病(ESRD)的流行病學資料顯示，全球ESRD患者數持續增加。及時篩查、診斷、評估進展對延緩腎臟病進展至ESRD具有重要的臨床意義。越來越多的證據表明，線粒體動力學廣泛參與腎臟疾病的發生、發展過程。該文就線粒體動力學參與腎臟病的分子機制以及線粒體動力學參與腎臟病的臨床診治做一綜述，旨在使臨床醫師對線粒體動力學與腎臟病的相互影響形成初步的認識。

一、線粒體動力學

線粒體是真核生物細胞中的主要產能細胞器，通過不斷地融合與分裂維持著線粒體網絡的穩定。線粒體可分裂變成更小的桿狀或者球狀結構；反之，線粒體融合則形成長鏈狀或網狀結構，這一過程稱為線粒體動力學[1]。本文主要討論以線粒體融合-分裂為代表的線粒體動力學在腎臟病發生、發展過程中所起的關鍵作用。

1. 線粒體分裂機制

哺乳動物細胞中，介導線粒體分裂的調控蛋白主要有動力相關蛋白1(Drp1) 和線粒體分裂蛋白1 (Fis1)。Drp1在線粒體分裂過程中起著至關重要的作用， Drp1在結構上由N末端鳥苷三磷酸酶(GTPase)結構域、中央結構域、C末端GTPase效應結構域(GED)構成。正常情況下，Drp1廣泛分散在整個細胞質中。在激活情況下，Drp1聚集到線粒體外膜的斷裂位點上，組裝成螺旋形結構驅使線粒體膜收縮，從而促進線粒體膜的分裂[2]。當線粒體分裂結束后，Drp1又回到細胞質，在細胞質與靶細胞膜之間循環。敲除Drp1基因會抑制線粒體分裂，形成長桿狀線粒體，Drp1基因過度表達則會引起線粒體分裂，產生大量片段化線粒體[3]。

Fis1為由152個氨基酸構成的小分子蛋白質，是哺乳動物細胞線粒體分裂機制的另一個重要組成部分。Fis1通過C末端跨膜結構域(TMD)錨定在線粒體外膜上，N末端暴露于細胞質[4]。Fis1高表達會導致線粒體片段化，進而引起細胞色素C釋放和細胞死亡[5]。

2. 線粒體融合機制

哺乳動物細胞中介導線粒體融合的調控蛋白主要有線粒體融合蛋白1(Mfn1) 、Mfn2、視神經萎縮癥蛋白1(OPA1) 。線粒體外膜的融合涉及到Mfn，而OPA1則參與線粒體內膜的融合，線粒體的融合是從線粒體外膜的彼此連接和融合開始，接下來才是內膜的融合[6]。

Mfn1和Mfn2分子結構相似，N末端朝向細胞質，含有GTPase結構域，C-末端跨膜區兩側各有1個疏水集團，為七肽重復序列(HR1/2)，在線粒體外膜融合過程中，2個相鄰線粒體外膜上的Mfn1或Mfn2通過形成反向平行的螺旋形二聚體相互連接，進而促進線粒體外膜融合[7]。

如前所述，線粒體外膜的融合涉及到Mfn，而OPA1則參與線粒體內膜的融合。在結構上，OPA1 N末端有一個線粒體膜插入序列，C末端有一個GTPase效應結構域，其他的功能域位于中間。抑制OPA1基因的表達可導致線粒體分裂，形成片段化線粒體；選擇性敲除Mfn1基因時，OPA1失去促進線粒體融合的作用，可見3種調控線粒體融合的蛋白對線粒體融合均是必不可少的[8]。

二、線粒體動力學與腎臟病

腎臟病包括急性腎損傷(AKI)與慢性腎臟病(CKD)，均以腎組織損傷與腎功能下降為特征。無論是AKI還是慢性腎衰竭(CRF)，均有著涉及包括線粒體動力學在內的復雜病因和發病機制。越來越多的證據表明，急性和慢性腎臟損傷中均有明顯的線粒體動力學改變，包括缺血-再灌注腎損傷、中毒性腎損傷以及糖尿病腎病(DN)。在損傷的腎細胞中，正常的絲狀線粒體分裂成片段狀，而片段狀的線粒體則導致線粒體損傷以及細胞死亡。由此推測，線粒體動力學改變可能是引起腎臟相關損傷的致病機制之一。

1. 線粒體動力學與AKI

前期研究證實，線粒體動力學異常是引起腎小管上皮細胞損傷的重要因素。為了進一步證實線粒體動力學改變在AKI時線粒體損傷以及腎小管上皮細胞凋亡過程中發揮的作用， Brooks等[9]觀察缺血以及順鉑介導的AKI腎小管上皮細胞中線粒體的形態學改變，發現AKI時腎小管上皮細胞線粒體迅速發生分裂，且線粒體分裂發生在以細胞色素C釋放為標志的線粒體外膜通透性改變之前，線粒體分裂蛋白Drp1在腎小管上皮細胞損傷早期便被激活并且向線粒體聚集，通過顯性負突變體或小片段干擾RNA(siRNA)抑制Drp1，可以阻止線粒體分裂、細胞外膜通透性改變以及細胞凋亡。另外，在AKI小鼠模型中，可以通過二維和三維電子顯微鏡觀察到腎小管上皮細胞線粒體的分裂，缺血-再灌注腎損傷可導致30%～40%的腎小管上皮細胞出現線粒體分裂。Xiao等[10]發現，OPA1的蛋白水解酶OMA1通過水解OPA1可以引起線粒體內膜的分裂。在AKI小鼠模型中，敲除OMA1基因可抑制OPA1的水解，阻止線粒體分裂以及腎小管上皮細胞損傷。從而對抗缺血性腎損傷，改善腎功能。這些研究進一步證實了線粒體動力學與AKI的相關性，進一步探索AKI過程中線粒體動力學改變以及引起腎小管上皮細胞損傷的具體分子機制，有助于探索AKI的防治新策略。

2. 線粒體動力學與DN

近年來，線粒體動力學與神經退行性病變、冠狀動脈粥樣硬化性心臟病(冠心病)等慢性病關系的研究取得了很大進展，但對線粒體動力學與CKD的關系卻知之甚少。DN是引起ESRD的主要原因，長期的高血糖可導致腎小球、腎小管以及腎間質的損傷，并最終引起CRF[11]。線粒體動力學失衡產生大量的活性氧簇，大量的活性氧簇可產生各種應激反應，所產生的致炎作用可導致胰島素信號轉導降低，這可能是導致胰島素抵抗的重要原因之一[12]。線粒體動力學平衡在胰島素分泌以及B細胞形態及數量方面均起著重要作用。Liu等[13]發現大黃酸可以抑制ROS產生，從而抑制ROS-Drp1-線粒體分裂-細胞凋亡通路防止高糖誘導的B細胞凋亡。Zhang等[14]發現，敲除小鼠胰島B細胞OPA1基因后，胰島B細胞線粒體呈碎片狀，線粒體復合體Ⅳ數量和活性降低，最終導致三磷酸腺苷生成障礙，胰島素分泌不足而引起血糖升高。以上實驗表明，線粒體動力學紊亂可引起胰島素抵抗、胰島素分泌不足、胰島B細胞凋亡，最終誘發2型糖尿病，維持線粒體動力學穩定可能是防止這一過程的有效途徑。

除了線粒體動力學參與了DN的病理變化過程外，研究發現DN動物模型及DN患者腎皮質中存在線粒體碎片堆積，提示DN的病理變化過程中線粒體清除機制(線粒體自噬)也遭受損害[15]。DN病理變化過程中線粒體自噬功能的改變及其對DN病理進展的影響尚需進一步驗證。進一步探索DN發展過程中線粒體自噬功能變化及其對DN病理進展影響的具體分子機制，有可能發現DN治療的新靶點。

3. 線粒體動力學與腎臟病防治新策略

Tang等[16]對鏈脲霉素誘導的DN大鼠模型中腎臟細胞進行腺病毒介導的基因轉染，使Mfn2高表達，與未進行轉染的空白對照組大鼠相比，證實Mfn2高表達可以減輕糖尿病大鼠模型的腎損傷(如降低蛋白尿、減少活性氧簇聚集等)。Mfn2高表達在DN患者中是否有同樣作用還有待于進一步研究驗證。Morigi等[17]研究指出，在順鉑介導的小鼠AKI模型中，氧化應激損傷與線粒體損傷都與腎臟中的去乙酰化酶3(SIRT3)水平降低有關，用磷酸腺苷活化蛋白激酶(AMPK)激動劑5-氨基-4-咪唑甲酰胺核苷酸或者抗氧化劑乙酰左旋肉堿對實驗小鼠進行預處理，恢復SIRT3的表達與活性，可以改善實驗小鼠的腎臟功能，并且減輕小鼠的腎小管損傷，對敲除SIRT3基因組的小鼠進行預處理則無此作用。在體外培養的人類腎小管上皮細胞，經順鉑暴露后可導致SIRT3水平降低，進而導致線粒體分裂，恢復SIRT3的表達，可以修復順鉑介導的線粒體功能紊亂。以上研究表明，恢復和增強SIRT3的表達，可以穩定線粒體動力學，降低順鉑所致AKI風險。

Cereghetti等[18]證實，細胞質中的鈣離子濃度過高可引起鈣依賴磷酸酶的激活從而直接激活Drp1上637位絲氨酸脫磷酸化，進一步引起Drp1激活并由細胞質向線粒體移位，最終導致線粒體的分裂。2種不同的鈣依賴磷酸酶抑制劑(環孢素和他克莫司)，可以抑制Drp1的脫磷酸化作用從而阻止腎小管上皮細胞線粒體的分裂、細胞色素C的釋放以及細胞凋亡[19]。因此，阻止Drp1脫磷酸化作用可減輕缺血-再灌注等引起的急性腎小管上皮細胞損傷。唐驊等[20]研究表明DN時體內升高的晚期糖基化終產物可能會導致大鼠腎小球內皮細胞(GEnC)線粒體功能障礙，引起活性氧簇產生增加，從而導致細胞間通透性增加，可能是DN時蛋白尿生成的機制之一，減少線粒體功能障礙引起的氧化應激損傷，可能成為發生DN時保護GEnC功能的有效途徑之一。

4. 線粒體動力學與臨床應用

何靜等[21]通過建立線粒體DNA(mtDNA)拷貝數的SYBR Green I 實時定量PCR方法，檢測局灶節段性腎小球硬化(FSGS)患者血清線粒體DNA(mtDNA)和尿液微囊泡(MV) mtDNA的變化，發現FSGS患者血清mtDNA水平均較健康對照組下降，且FSGS患者尿液中MV mtDNA含量高于健康對照組；實驗還證實了體外嘌呤霉素氨基核苷刺激的足細胞分泌的MV中mtDNA下降，而且足細胞內mtDNA含量也下降。上述結果提示mtDNA可能是腎損傷的標志物。雖然該實驗存在樣本含量較少、FSGS尿液MV來源的mtDNA升高可能是由于患者尿液MV含量也升高引起等不足，但該研究建立的mtDNA拷貝數測定方法成本低廉、敏感度高、特異性強，為mtDNA檢測用于臨床診斷以及進一步完善相關研究奠定了基礎。

鄒禮樂等[22]通過建立缺氧-復氧(H/R)模型，將近曲腎小管上皮細胞(HK-2)隨機分為對照組和H/R組，通過免疫組織化學染色檢測發現，H/R組OPA1表達減少而Drp1表達增加，提示新生兒H/R性腎損傷可能與線粒體動力學紊亂有關。胡語航等[23]對H/R模型的HK-2細胞進行白藜蘆醇苷(PD)預處理，證實單純H/R組細胞數量明顯減少，PD處理組HK-2細胞數量明顯多于H/R組。提示PD對H/R誘導的腎小管上皮細胞損傷可能具有一定的保護作用，但其作用機制是否與腎小管上皮細胞線粒體動力學改變有關，尚需進一步研究。

三、結語

通過對線粒體動力學以及線粒體動力學改變參與腎臟病理生理學過程的總結，我們可以推斷，維持線粒體動力學的穩定也許可以成為保護腎損傷的新的研究方向，過去的研究主要集中在線粒體動力學與AKI，線粒體動力學與CKD的相關性具有同樣重要的研究價值。如前所述，在缺血與順鉑介導的AKI模型中，阻止線粒體分裂具有腎臟保護作用，然而在其他腎臟損傷的模型中同樣的處理是否有效尚不清楚。越來越多的證據表明線粒體動力學在AKI與CKD的發病機制中都發揮著一定的作用，其具體的分子機制還有待于進一步的研究。通過對線粒體動力學與腎臟疾病研究的回顧，表明線粒體動力學調節將為腎臟疾病提供新的研究方向、藥物作用靶點及腎臟保護方案，具有重要的理論及現實意義。

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(本文編輯：林燕薇)

New therapeutic strategy of kidney diseases from the perspective of mitochondrial dynamics

YuZongchao,YinLianghong，LiuFanna.

DepartmentofNephrology,theFirstAffiliatedHospitalofJi’nanUniversity,Guangzhou510632,China

【Abstract】Mitochondria, as a highly dynamic organelle existing in the eukaryocyte, is able to maintain the stabilization of mitochondrial network by constant fusion and fission. Mitochondrial dynamics equilibrium plays a crucial role in maintaining the function of tissues and organs, such as kidney, heart, skeletal muscle, etc. However, the mechanism underlying the effect of mitochondrial dynamics upon the incidence and progression of kidney diseases remains elusive. Accumulated evidence has demonstrated that the changes in mitochondrial dynamics are widely involved with the pathogenesis and development of acute renal failure, diabetic nephropathy and alternative renal diseases. In this paper, recent research progresses in terms of the association between mitochondrial dynamics and kidney diseases were summarized and reviewed, aiming to explore novel prevention and treatment of renal diseases.

【Key words】Kidney disease; Mitochondrial dynamics; Mitochondrial fission; Mitochondrial fusion

(收稿日期：2015-11-21)

Corresponding author, Liu Fanna，E-mail: tliufana@jnu.edu.cn

通訊作者，劉璠娜，E-mail：tliufana@jnu.edu.cn 簡介：劉璠娜，女，博士，副主任醫師、副教授，碩士研究生導師，美國克利夫蘭醫學中心腎臟病與高血壓中心訪問學者。廣東省醫師協會腎內科分會委員，廣東省女醫師協會腎臟病與血液凈化分會副主任委員。擅長急性或慢性腎臟病、糖尿病腎病及高血壓腎病的防治，危重腎臟病管理，原發性及繼發性腎小球疾病的診治，血液凈化各項技術的臨床應用，血管通路的維護及維持性血液透析患者的管理與評估。主要從事慢性腎臟病防治的臨床與基礎研究。主持及參與多項國家、省、市科研課題。

基金項目：2016年廣州市產學研協同創新重大專項民生科技專題；廣東高校血液凈化技術與設備工程技術研究中心建設項目(GCZX-A1104)

DOI：10.3969/j.issn.0253-9802.2016.04.001