mPTP在心肌線粒體氧化應激損傷誘導細胞凋亡的研究進展

韓學超+徐森+徐菁蔓

【摘要】 自1970年線粒體膜轉換特性被發現至今，線粒體在調控細胞凋亡，控制物質進出方面的作用已經獲得廣泛認可。線粒體通透性轉化孔（mPTP）是該特性的載體，當內膜通透性增加時，一些分子量小于1.5×103 Da的小分子可以自由通過。現有研究表明，氧化應激，鈣超載，活性氧（ROS）增加等參與了心肌缺血再灌注損傷，但是氧化應激通過線粒體途徑誘導心肌細胞凋亡的具體機制，及mPTP的具體分子結構、功能和調控節點尚不清楚。因此本文中主要對現在公認的線粒體mPTP的結構以及氧化應激狀態下心肌細胞模型線粒體mPTP的各種病理變化以及可能涉及的損傷機制的研究進展進行綜述，論證mPTP的靶向治療對抑制心肌細胞凋亡的可行性，為治療心肌缺血再灌注損傷提供一些新的研究思路。

【關鍵詞】 線粒體； mPTP； 氧化應激； 心肌細胞； 凋亡

【Abstract】 Since 1970，mitochondrial membrane transition properties have been found so far，mitochondria in the regulation of apoptosis，control of substances in and out of the role has been widely recognized.Mitochondrial permeability conversion pore（mPTP） is the carrier of this characteristic.When the permeability of the membrane increases， some small molecules with molecular weight less than 1.5×103 Da are free to pass.Previous studies have shown that oxidative stress， calcium overload， and reactive oxygen species（ROS） are involved in myocardial ischemia-reperfusion injury，but the specific mechanism of oxidative stress through mitochondrial pathway-induced cardiomyocytes apoptosis and the specific molecular structure of mPTP，function and control node is not clear.Therefore，this article mainly on the now recognized mitochondrial mPTP structure and oxidative stress cardiomyocytes model mitochondrial mPTP various pathological changes and possible damage mechanisms involved in the research progress，demonstrated mPTP targeted therapy to inhibit cardiomyocytes.The feasibility of apoptosis for the treatment of myocardial ischemia and reperfusion injury provide some new research ideas.

【Key words】 Mitochondria； mPTP； Oxidative stress； Cardiomyocytes； Apoptosis

First-authors address：North China University of Science and Technology，Tangshan 063210，China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2018.02.032

心臟中心肌細胞經過短暫的缺血缺氧后，給予缺血缺氧的心肌細胞快速恢復血供時，雖然能使心肌細胞的血液供應恢復到以前的狀態，但是對心肌細胞的損傷不僅沒有得到相應的緩解，反而使心肌細胞的損傷程度加深加重，嚴重時甚至可能出現心肌細胞的凋亡，稱其為心肌缺血再灌注損傷（myocardial ischemia-reperfusion injury，MIRI）[1]。

細胞程序性死亡（programmed cell death，PCD）是定義為在相關聯的基因、蛋白、信號通路的控制之下，機體通過“自殺性”的方式清除本身體內非必需的細胞，以及特定的或者有一定程度損傷的細胞的過程[2]。PCD的分類：內源性凋亡與外源性凋亡，細胞自噬，壞死性凋亡等[3]。

氧化應激反應是氧化自由基的生成功能和抗氧化功能之間的失衡，使生成的氧化自由基逐漸發生脂質過氧化反應形成脂質過氧化物丙二醛（MDA），進而造成心肌細胞的損傷，引發心肌細胞內肌漿網內的Ca2+攝取減少，使得胞內Ca2+含量極速上升引發Ca2+超載，線粒體基質過度腫脹，可以進一步激活與凋亡相關的蛋白，如細胞色素C（Cyt C）釋放和caspase相關蛋白的激活，發生不可逆的損傷甚至使心肌細胞發生凋亡[4]。因此線粒體損傷誘導的細胞凋亡是心肌細胞氧化應激損傷的重要機制之一。

1 線粒體簡介

心肌細胞內的大量線粒體是細胞的“能量工廠”，是細胞內的重要能源物質腺嘌呤核苷三磷酸的生成場所，線粒體還可以維持Cl-、Ca2+等離子的相對平衡，進而調節凋亡和壞死，許多生化反應例如三羧酸循環、電子傳遞以及氧化磷酸化等也都在線粒體中進行。已有研究表明了線粒體參與了氧化應激以及細胞凋亡等多種生命活動，對心肌細胞功能的正常行使具有非常重要的意義[5]。心肌細胞中有著所有細胞中數量最多的線粒體，占心肌細胞總體積的40%～60%，故而線粒體的形態只要發生輕微的改變，就會影響其功能的正常行使，導致心肌細胞的凋亡甚至心臟功能的巨大改變。endprint

2 mPTP結構

現有研究發現，線粒體膜的通透性與其結構功能關系密切，與MIRI也有著密不可分的聯系。線粒體通透性轉換孔（mitochondrial permeability transition pore，mPTP）是線粒體內膜與外膜之間的非特異性高導電性的通道，主要通過控制心肌細胞的氧化磷酸化來調控能量代謝，調節線粒體膜的通透性，維持內外離子的相對恒定，對形成穩定的電勢差和維持膜電位的穩定有重要作用[6]。

mPTP為一種多蛋白的復合體結構，但是其具體結果尚不明確，現在學界普遍認為其主要成分為線粒體內膜上的腺苷酸轉運蛋白（adenine nucleotide translocator，ANT），線粒體外膜上的電壓依賴性陰離子通道（voltage-dependent anion channel，VDAC），線粒體基質中的親環素D（cyclophilin D，Cyp D）[7]。ANT主要催化細胞質中的ADP與線粒體中ATP轉換，為mPTP的非必需成分；VDAC是一種重要的跨膜蛋白，對于控制一些能量代謝物質如ADP與ATP進入線粒體進行相互轉化非常重要，還可以促進Bcl-2家族中的一些促凋亡的蛋白與線粒體的外膜相互結合，介導Cyt C的釋放進而導致線粒體依賴的細胞內源性凋亡[8]；Cyp D是免疫抑制藥環孢素（例如環孢素A）在細胞內的一類蛋白結合位點，其活性受Ca2+濃度的調節，細胞內高Ca2+時介導mPTP的開放，對于Cyp D是否是mPTP的重要成分尚存在疑問[9]。

3 mPTP的功能

線粒體mPTP的結構和功能直接影響著心肌細胞的功能，心肌細胞線粒體上的mPTP的病理性開放是MIRI中不可避免關鍵因素，線粒體基質腫脹和線粒體mPTP長時間開放可以導致線粒體呼吸傳遞鏈抑制，膜電位下降，膜間正離子集聚等系列病理性變化。

mPTP有三種開閉狀態：線粒體的跨膜電位完整時的完全關閉的狀態；可以傳導電信號和鈣信號的較低水平的可逆性的開放狀態；導致心肌細胞的不可逆變化甚至凋亡的高水平的不可逆開放狀態[10]。

4 mPTP在凋亡中的作用

mPTP引起凋亡的大體機制如下：三羧酸循環終止，引起外膜破碎，釋放Cyt C，活化caspase系列蛋白，通過caspase依賴機制使心肌細胞走向凋亡[11]。氧化應激、線粒體內Ca2+超載、線粒體內膜電位降低、ROS大量生成，無機磷酸鹽、NO等物質都會導致線粒體mPTP的病理性開放。現有研究表明氧化應激反應是MIRI中引起心肌細胞損傷非常重要的因素之一，可以使線粒體mPTP上的結構蛋白發生構象改變，進而導致線粒體通透性異常，mPTP病理性開放，激發下游通路，導致不可逆損傷，最終引發心肌細胞凋亡[12]。

線粒體mPTP因外界或病理條件大量開放時，細胞內乳酸脫氫酶（LDH）和磷酸肌酸激酶（CPK）活性明顯升高，超氧化物歧化酶（SOD）和谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）的活性顯著下降，ROS與MDA大量生成，線粒體內的Cl-濃度升高，胞內Ca2+超載明顯，引起線粒體膜電位崩潰，氧化磷酸化脫耦聯，ATP生成障礙。而一些凋亡因子例如Cyt C釋放后，激活caspase相關的凋亡蛋白。

Cyt C是線粒體呼吸鏈中復合體Ⅲ、 Ⅳ的重要組成部分，為一種細胞核核基因編碼的水溶性蛋白質，對細胞的能量代謝有著十分重要的作用，其位于線粒體內膜的外側，分子量在12 kDa左右，可以傳導和放大凋亡型號，是心肌細胞凋亡的重要調控因子[13]。近年來對Cyt C的研究已經從控制細胞的代謝過程發展到了探討其對細胞凋亡的影響。在凋亡過程中線粒體不僅喪失氧化產能的功能，更加重要的是由線粒體mPTP調控和釋放Cyt C控制的細胞凋亡過程被激活[14]。Cyt C可以在ATP/dATP存在的條件下與蛋白酶活化因子進行結合而形成多聚體結構，進一步活化caspase-9，而caspase-9作為凋亡的啟動者，釋放之后收到信號便開始通過自剪和接合的方式激活，但是caspase-9并不能降解細胞本身的蛋白質，而是通過caspase級聯反應來進一步活化下游不具有自我激活的能力的casepase-3，引起一系列連鎖反應[15]。caspase-3活化之后作為凋亡的執行者，直接作用于損傷的心肌細胞，破壞細胞內多種重要結構和功能蛋白，使其進一步降解為凋亡小體，引起心肌細胞凋亡[16]。因此將線粒體mPTP的開放程度降低或抑制mPTP的病理性開放可以有效地保護心肌細胞，避免心肌細胞的凋亡，進一步保護心臟功能的正常行使。

5 線粒體mPTP調控作用的兩種可能機制

5.1 VDAC假說 有些研究認為VDAC是一種位于細胞線粒體外膜保守的孔道蛋白，可以在線粒體膜上形成親水性的電壓依賴通道，是線粒體與細胞質之間的主要物質交換通道，將內膜和外膜一分為二，是調控心肌細胞凋亡的重要節點[17]。VDAC對線粒體內外的物質運輸有著重要的作用，VDAC蛋白結構的動態變化是VDAC關閉和開放的重要原因，因此在mPTP的開閉中也承擔著重要角色。其中VDAC就控制著Cl-的跨線粒體膜的運輸，Cl-是細胞中具有非常重要的生理意義的陰離子，其濃度的異常變化會影響細胞的內環境的pH，而pH又可以影響到膜信號的轉導、Ca2+的穩態、興奮—收縮耦聯機制、生長代謝等一系列生理過程[18]。通過削弱“氯增加誘發鈣小體釋放機制”的觸發作用，可以有效地減輕氧化應激反應，鈣超載，維持線粒體膜電位的相對穩定，抑制Cyt C的病理性釋放和caspase系列凋亡蛋白的激活，最后減少心肌細胞的凋亡[19]。文獻[20]顯示，4，4-二異硫氰基芪-2，2-二磺酸（4，4-diisothiocyanostilbene-2，2-disulfonicacid，DIDS）可以取消線粒體膜電位的震蕩，也可以特異性的阻斷VDAC，關閉線粒體mPTP。當除去細胞外的Cl-或者是加入Cl-阻斷劑DIDS后可以減輕心肌細胞的損傷程度并減少心肌細胞的凋亡，VDAC還可以通過閉合mPTP來阻斷ADP進入線粒體內，間接阻斷ATP的合成和流動，因此還可以影響細胞能量的產生[21]。線粒體通透性的改變需要內膜和外膜的同時改變，外膜上的某些特定區域可以作為它們相互作用的接觸位點，可以與胞內多種蛋白結合，而VDAC就是細胞質與外膜進行結合的位點。VDAC1是VDAC的三種亞型之一，控制物質運輸，與Bcl-2家族蛋白互相作用之后可以改變線粒體外膜的通透性，導致Cyt C的釋放及其他相關的凋亡因子進入胞漿，引起心肌細胞的凋亡[22]。用RNAi特異性的沉默VDAC1之后，心肌細胞的氧化應激反應減弱，鈣離子超載程度減輕，保護了線粒體的膜電位，線粒體mPTP的開放程度有一定的削弱，線粒體中Cyt C的釋放被抑制及活化的caspase-9，caspase-3等系列凋亡蛋白含量顯著減少[23]。正常的情況下Cyt C是無法通過線粒體外膜的，Cyt C的釋放受到VDAC與Bcl-2之間反應的影響，一些位于細胞內的促凋亡因子如Bax以及Bak等與VDAC結合后，增強了VDAC的活躍程度，促進了線粒體mPTP的開放。VDAC的高表達使其由單體形式向低聚體的形式轉變，形成了巨大的孔道，這使得內膜區的凋亡因子得以釋放，如Cyt C釋放[24]。VDAC的高表達還增加了ROS的生成量，加重了氧化應激反應程度，使細胞的凋亡程度加重。而一些抗凋亡因子例如Bcl-2以及Bcl-xl位于線粒體的外膜上，可以和VDAC直接接觸并結合發生反應而使得VDAC得以關閉，進而抑制Cyt C的釋放[25]。endprint

5.2 Cyp D假說 最近有些研究認為Cyp D是mPTP結構的重要亞基，而VDAC與ANT可能不是線粒體mPTP的必需亞基[26]。當把由Ppif基因編碼的基質的Cyp D的Ppif基因敲除，發現其能有效地減少心肌細胞的Ca2+超載和氧化應激損傷，一定程度上增強心肌細胞的抗凋亡能力[27]。自從2013年來一些學者發現新的線粒體mPTP結構模型，豐富了mPTP的研究后，某些學者認為內膜上的ATP合成酶C亞基參與了線粒體mPTP的形成，能與Cyp D結合并形成相應的復合物來調節mPTP的開放[28]。ATP合成酶是ADP合成ATP必不可少的酶類，是線粒體作為能量工廠的重要支撐，這也進一步說明了mPTP不僅是細胞凋亡中的重要調控節點，也是線粒體產能的重要通道。而環孢素A（CsA）可以通過與Cyp D的結合來抑制線粒體mPTP的病理性開放，進而防止線粒體內膜去極化以及caspase相關蛋白的活化，發揮抑制凋亡作用。最終起到減輕氧化應激損傷，改善細胞線粒體的功能的作用。

心肌細胞在發生氧化應激損傷時，細胞內離子濃度非正常波動，活性氧以及一些酶類的生成異常，都會導致線粒體mPTP發生病理性的開放，釋放Cyt C，激活caspase系列相關蛋白及其凋亡通路等一系列病理變化，導致心肌細胞走向凋亡。雖然線粒體mPTP的主要結構已經被大多數人所接受，但是起到主要調控作用的蛋白組分尚不明確，目前的兩種主要的假說：VDAC假說以及Cyp D假說都存在一定的疑問和不足，線粒體mPTP的準確結構尚不清楚，因此明確mPTP在心肌細胞氧化應激線粒體損傷誘導細胞凋亡中的準確作用在MIRI的研究以及治療中至關重要。

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（收稿日期：2017-10-20） （本文編輯：程旭然）endprint