線粒體功能障礙在代謝性炎癥中的作用

袁清，劉江華，曾召林,3

(1. 南華大學附屬第一醫院內分泌與代謝科，湖南 衡陽 421000； 2. 南華大學附屬第一醫院臨床研究中心，湖南 衡陽 421000； 3. 南華大學心血管疾病研究所動脈硬化學湖南省重點實驗室，湖南 衡陽 421001)

生物體為了生存保障在獲取食物時會儲存多余的能量。然而，隨著生活水平的不斷提高，全球大部分人口的營養狀況由原來的缺乏轉變為持續營養過剩，過度的能量儲存成為導致肥胖、2型糖尿病、動脈粥樣硬化等疾病發生的關鍵因素；這種慢性低度炎癥不具備典型的病理學改變，主要表現為組織和器官功能障礙[1]。揭示導致炎癥慢性低度化的因素有助于更好地理解其發生機制。線粒體作為細胞能量源通過產生ATP推動新陳代謝，狹義上線粒體功能障礙被定義為線粒體無法產生能量需求所需ATP水平而引起的癥狀。如今這一概念變得更加寬泛，它包含線粒體DNA 損傷，線粒體動力學、形態學異常，底物分解代謝異常及活性氧產生/清除失衡等。線粒體的生物合成、線粒體動力學與適應代謝需求有關，營養物質過剩引起線粒體損傷的同時促進活性氧的產生，因此線粒體功能障礙與代謝性炎癥的產生與發展密不可分。本文就線粒體功能障礙在代謝性炎癥性疾病中的作用和分子機制進行總結，希望為肥胖、糖尿病、動脈粥樣硬化等代謝性炎癥性疾病的研究提供線索。

1 線粒體概述

1.1 線粒體動力學與功能

線粒體是由與原始真核生物一起參與內共生過程的原始細菌進化而來的細胞器，常分布在細胞功能旺盛的區域。線粒體對于維持組織細胞的正常生理功能是必需的，其最重要的作用是通過氧化磷酸化產生ATP向細胞提供能量，除此之外，線粒體還參與許多分解和合成代謝反應，包括檸檬酸循環、脂肪酸β-氧化和血紅素、某些磷脂和其他代謝產物的生物合成以及鈣離子的信號轉導等；此外線粒體還是細胞凋亡的關鍵調節因子，并參與發育和衰老過程。

線粒體作為高度動態化的細胞器，由多種蛋白精準調控線粒體融合、分裂、生物合成和清除(主要是線粒體自噬)，以確保線粒體功能適應細胞的能量代謝需求。線粒體可以通過重塑即融合和分裂來控制線粒體形態從而有效發揮功能[2]，當細胞承受過大的代謝或者環境壓力時，線粒體通過融合形成一個大的相互連接的網絡來緩解壓力。線粒體的融合過程主要由動力蛋白超家族的三個大型鳥苷酸三磷酸酶介導，其中，線粒體融合蛋白1(mitofusin1,Mfn1)和線粒體融合蛋白2(Mfn2)是一種完整的外膜蛋白，介導外膜融合；視神經萎縮蛋白1(optic atrophy 1，OPA1)有多種與內膜相關的亞型，并介導內膜融合。OPA1功能由不同亞型的選擇性剪切和蛋白水解控制，剪切過程主要受OMA1(膜電位依賴的蛋白酶)和Yme1L(ATP依賴的蛋白酶)控制，OPA1長短型之間互補對線粒體有效的融合活性是必需的。細胞生存依賴于細胞中有足夠的線粒體，而新的線粒體需要通過分裂產生，分裂是由動力相關蛋白1(dynamin-related protein1, Drp1)介導。Drp1位于細胞質中，被線粒體外膜上的受體蛋白如Mid49、Mid50、MFF招募形成圍繞線粒體的螺旋狀結構，通過收縮以切斷線粒體內膜和外膜[2]。

線粒體的生物合成包括增殖和分化兩個過程，增殖引起數量改變，而分化體現了線粒體功能性與結構性的改變。線粒體的核特異性調控，線粒體DNA復制、轉錄和翻譯等都在線粒體的生物合成中起著不可或缺的作用。過氧化物酶體增殖物激活受體-γ共激活因子-1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α, PGC1α)是線粒體生物合成的主要刺激因子，它廣泛表達于富含線粒體的組織中，PGC1α通過與核呼吸因子1等轉錄因子相互作用，上調線粒體轉錄因子A的表達，從而激活線粒體DNA的復制。此外，當環磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)水平升高時會導致cAMP反應元件結合蛋白依賴蛋白激酶A活化，進而上調PGC1α的表達，刺激線粒體生物合成并可降低活性氧水平[3]。線粒體自噬是指自噬小體包裹線粒體并與溶酶體融合降解老化、損傷和過剩線粒體，這個過程主要受PINK1-PARKIN信號通路的介導。在正常情況下，核編碼PINK1被迅速移位到健康線粒體的基質中，在那里被線粒體加工肽酶切割，而線粒體加工肽酶活性降低會誘導PINK1在線粒體表面積聚；此外，當線粒體膜電位去極化時，PINK1也會積聚在線粒體表面，再從細胞質中募集E3泛素連接酶PARKIN介導受損線粒體自噬[4]。除了PINK1-PARKIN信號通路之外，位于線粒體外膜上的Bnip3L/Nix，BCI2L13以及脂質在線粒體自噬中也起著重要作用。細胞中線粒體質量受線粒體的生物合成與自噬的平衡調節控制。

1.2 線粒體活性氧的形成與抗氧化防御

活性氧是需氧細胞在代謝過程中產生的一類含有氧自由基的高活性化學物，包括超氧陰離子、過氧化氫(H2O2)、羥自由基等。線粒體是活性氧的主要來源，線粒體作為產生能量的細胞器，會通過氧化磷酸化和Krebs循環來氧化葡萄糖、脂肪酸和氨基酸代謝物產生ATP。在此過程中，大部分提供給呼吸鏈的電子會與質子和氧反應，再在細胞色素c氧化酶(或復合體Ⅳ)的水平上形成H2O；然而，其中有部分漏出的電子會在呼吸鏈的復合物Ⅰ和復合物Ⅲ的水平上與氧直接反應形成超氧陰離子自由基，生成的超氧陰離子自由基很快轉變為H2O2，而H2O2會與二價鐵反應生成羥自由基。這個過程中生成的超氧陰離子自由基便是活性氧的重要來源。線粒體產生的低水平活性氧似乎是維持細胞內穩態和誘導應激反應的重要信號因子。線粒體發生功能障礙產生過量活性氧會進一步損害線粒體DNA、蛋白質和脂質等，而這會促進活性氧的產生，進而形成一個惡性循環。線粒體有一套抗氧化的機制?？寡趸饕ㄟ^中斷自由基引發的鏈式反應以及清除自由基，據此抗氧化機制也有兩種。第一種是非酶類，主要是通過中斷自由基鏈反應來抗氧化，部分微量元素和維生素在這個過程中發揮著重要作用。第二種則是能夠清除自由基的酶類，如線粒體超氧化物歧化酶(SOD)會將超氧陰離子自由基轉化為H2O2，H2O2可以輕易通過脂膜擴散，并且與多種抗氧化成分反應，在低濃度下，H2O2通常在過氧化物酶的作用下轉化為H2O，但在較高濃度下，谷胱甘肽過氧化物酶會參與反應來促進這種轉化以應對氧化應激[5]。并且SOD還可以防止超氧陰離子自由基與一氧化氮反應生成過氧亞硝基陰離子，阻止亞硝基氧化的發生。

1.3 線粒體功能障礙與代謝性炎癥

線粒體是參與代謝調節的關鍵細胞器，其功能障礙與代謝性炎癥疾病緊密相關(圖1)。營養過剩狀態下存在的大量代謝產物(如脂肪酸、葡萄糖、氧化膽固醇等)會誘發一系列的慢性代謝紊亂疾病，特別是肥胖、2型糖尿病和動脈粥樣硬化[1]。營養過度攝入會增加體內葡萄糖和游離脂肪酸水平，這會促進乙酰輔酶A的產生，高水平的乙酰輔酶A會刺激線粒體產生過量的活性氧，活性氧會激活許多氧化應激敏感的轉錄因子，其中就包括炎癥反應的主要介質核因子-κB(NF-κB)[6]。而能量過剩的情況下，通過抑制NF-κB激活可能有助于改善線粒體功能障礙，并對骨骼肌胰島素敏感性產生積極影響[7]。但也有報道認為肥胖期間一些炎癥因子活性的增加可能有助于限制肥胖，降低患2型糖尿病的風險。關于促炎因子對肥胖和糖尿病的積極影響已有文獻報道[8]。此外，活性氧還會破壞線粒體結構和功能，而受損的線粒體會產生更多的活性氧，這會促進炎癥的發展并形成一個惡性循環。高于生理水平的線粒體活性氧還會誘導巨噬細胞向M1極化[9]，而M1型巨噬細胞具有促炎作用。在使用解偶聯蛋白-1或者錳超氧化物歧化酶等抗氧化劑時可以抑制活性氧的產生，并阻止晚期糖基化終末產物的形成和NF-κB的激活[10]，從而抑制慢性炎癥性疾病，如肥胖、糖尿病和動脈粥樣硬化的發生發展。

圖1 線粒體功能障礙與代謝性炎癥疾病

2 線粒體功能障礙與肥胖

世界衛生組織把肥胖定義為可能損害健康的異?；蜻^量脂肪堆積。食物攝入過多和缺乏運動是肥胖的主要原因。在營養過剩的情況下，增加的脂肪酸儲存在大量脂肪組織中導致脂肪細胞肥大增生，使其得不到充足的血流供應進而引發缺氧。缺氧會誘導脂肪組織中巨噬細胞分泌大量的促炎因子，比如腫瘤壞死因子-α(TNF-α)。TNF-α會誘導脂肪細胞分解釋放出游離脂肪酸，其中飽和脂肪酸反過來又會與巨噬細胞和脂肪細胞表面的Toll樣受體結合，進一步激活炎癥通路信號，促進炎癥因子的釋放。已有研究表明高水平的葡萄糖和脂肪酸會直接促進脂肪細胞的線粒體功能障礙[11]。并且肥胖時鹽皮質激素受體過度激活也會引發線粒體功能改變，線粒體活性氧產生和解偶聯增加，導致脂肪組織的功能失調[12]。而適度減肥可以減輕全身炎癥和胰島素抵抗，促進線粒體功能障礙的改善，增加SIRT1(Sirtuin1)和抗氧化劑GPX1的表達[13]。

與線粒體動力學相關的多種調節蛋白活性失調與肥胖密切相關。Quirós等[14]發現OMA1缺失會干擾線粒體的融合-裂變平衡，從而抑制氧化磷酸化，增強脂肪酸氧化并減少能量消耗，這會導致小鼠肥胖。肥胖會影響線粒體的生物合成，在高脂飲食的小鼠和大鼠中與線粒體生物合成有關的主要因子SIRT1、AMPK和PGC1α表達降低[15-16]。在下丘腦弓狀核中，由刺鼠基因相關蛋白(agouti gene-related protein,AgRP)和阿片-促黑素細胞皮質素原(proopiomelanocortin, POMC)神經元分別對攝食行為進行正向和負向調節。高脂飲食會導致小鼠AgRP神經元的活性增加使食量增加，這會干擾全身能量代謝，但當AgRP神經元缺失Mfn2時可防止不利的代謝反應，減少脂肪量，恢復胰島素與血糖水平，避免肥胖的發生[17]。然而在POMC神經元中的效應卻完全相反，Mfn2缺失會導致嚴重的肥胖、暴飲暴食與內分泌失調[17]。最近研究也發現高脂飲食會導致線粒體體積縮小，密度增加，并增加線粒體分裂蛋白Drp1的表達，這會誘導下丘腦小膠質細胞解偶聯蛋白2的表達來增加肥胖癥的易感性[18]。通常線粒體會通過自噬來清除功能失調的線粒體，然而通過自噬清除線粒體會減少線粒體的數量，導致底物氧化減少，進一步加劇脂質堆積[19]。線粒體自噬在肥胖中的作用需要進一步研究。

線粒體會通過抗氧化體系清除活性氧，但肥胖人群線粒體功能受損會增加這些不穩定分子的產生。過度進食、缺乏運動和肥胖導致能量代謝長期失衡可能會導致活性氧的產生增加。高脂飲食會促進線粒體脂肪酸β氧化，進而導致細胞色素c氧化酶的過量電子流，從而促進活性氧的積累[20]。活性氧在脂肪細胞形成中起重要作用，但肥胖時會有脂肪細胞肥大→局部活性氧增加→脂肪細胞增生的惡性循環加重肥胖。Valenzuela等[21]報道高脂喂食的小鼠肝臟SOD、過氧化氫酶、谷胱甘肽過氧化物酶和谷胱甘肽還原酶活性顯著降低。這些研究都表明活性氧在肥胖發生發展中的重要作用。

3 線粒體功能障礙與2型糖尿病

隨著人們生活水平的提高，2型糖尿病的患病率急劇上升，胰島素抵抗和分泌不足是2型糖尿病發病的核心因素。線粒體作為胰島素分泌的重要調節者，線粒體功能障礙與2型糖尿病的發生密切相關。

線粒體動態平衡影響著2型糖尿病的發生發展。OPA1是β細胞呼吸鏈充分發揮功能所必需的[15]。有研究表明OPA1的缺失會使胰島β細胞死亡，導致胰島素分泌減少及全身葡萄糖穩態受損[22]。在2型糖尿病患者中發現骨骼肌Mfn2的表達降低，而骨骼肌Mfn2的表達與胰島素敏感性成正比。Ramírez等[23]發現由禁食轉為進食過程中，POMC神經元中缺失Mfn1的小鼠線粒體結構缺陷和適應性喪失，這導致胰腺β細胞胰島素分泌不足和葡萄糖穩態異常。但也有研究表明缺失Mfn1的小鼠可以免受高脂飲食誘導的葡萄糖耐量和胰島素抵抗的影響，并且對二甲雙胍的降血糖作用更加敏感[24]。Drp1也通過影響胰島素分泌和功能來參與2型糖尿病的過程。Hennings等[25]研究發現在胰腺β細胞中Drp1缺失會使胰島素分泌受損。Fealy等[26]研究卻發現Drp1活性下調與脂肪氧化和胰島素敏感性的改善顯著相關，并且通過鍛煉可以降低Drp1，增加Mfn1和Mfn2的表達。此外，二甲雙胍可以激活AMPK改善肥胖患者的線粒體功能和高血糖[27]。這些結果表明線粒體動力學相關蛋白的表達可能是2型糖尿病發病的基礎，但其在2型糖尿病中的調控機制需進一步研究。

導致2型糖尿病發生發展的另外一個潛在機制可能是高水平活性氧的產生。在糖尿病大鼠中觀察到了線粒體ATP生產減少，活性氧水平升高[28]。而胰島β細胞更易受到活性氧和氧化應激的影響，β細胞的抗氧化酶水平與其他代謝組織相比非常低。因此高水平活性氧被認為是糖尿病中β細胞功能障礙的主要原因。線粒體內的活性氧過量產生可以激活炎癥途徑，進而破壞胰島素信號轉導引起胰島素抵抗。Houstis等[29]發現用糖皮質激素或TNF-α處理誘發的胰島素抵抗細胞模型中活性氧水平均升高，認為活性氧水平升高是胰島素抵抗的重要觸發因素；而線粒體中過氧化氫酶的過表達可以預防胰島素抵抗。Anderson等[30]研究證實經線粒體靶向抗氧化劑處理大鼠或通過基因工程改造小鼠過表達其肌肉線粒體中的過氧化氫酶，可降低線粒體H2O2的水平，即便在高脂飲食的情況下也可以保留胰島素敏感性。另一項研究卻認為抗氧化劑治療雖可以使肌肉線粒體功能正?；㈩A防氧化應激，但未能使葡萄糖耐量和胰島素敏感性正?；痆31]。這些結果看起來似乎是矛盾的，所以關于線粒體來源的氧化應激與2型糖尿病之間的關聯機制需要得到進一步的探索。

4 線粒體功能障礙與動脈粥樣硬化

動脈粥樣硬化是許多心血管疾病的病理生理學基礎，動脈粥樣硬化最早是血管內皮受損導致脂質進入血管內皮下，然后單核巨噬細胞和平滑肌細胞吞噬脂質后形成泡沫細胞，大量泡沫細胞的堆積形成脂紋。其后便是纖維斑塊和粥樣斑塊的形成。線粒體活性氧可促進低密度脂蛋白和蛋白質的氧化，并導致平滑肌和內皮細胞的核DNA與線粒體DNA損傷。這會導致血管內皮受損，平滑肌細胞異常增殖與氧化低密度脂蛋白(oxLDL)在動脈壁上的聚集，這些因素都會推動動脈粥樣硬化發展。

血管內皮受損是動脈粥樣硬化早期的初始生理病理改變，伴隨一氧化氮的合成和分泌減少。一氧化氮具有抑制血小板聚集、單核巨噬細胞黏附、平滑肌細胞增殖等作用?；钚匝跽T導的氧化應激可以滅活內皮細胞一氧化氮合酶導致一氧化氮分泌減少[32]，且功能失調的內皮型一氧化氮合成酶會促進活性氧的產生，由此產生增加的氧化應激會進一步削弱一氧化氮的合成分泌來加劇血管內皮損傷。最近一項研究也指出線粒體鈣超載、膜電位降低、活性氧產生和細胞色素c的釋放參與了oxLDL誘導的內皮細胞凋亡[33]。而過表達PGC1α可以降低線粒體活性氧水平，逆轉oxLDL誘導的線粒體代謝紊亂[34]。并且過表達PGC1α還可以通過降低NF-κB和TNF-α的活性來減輕炎癥程度[32]。此外，過表達OPA1可以促進線粒體自噬和線粒體融合，恢復內皮細胞活力并減少 oxLDL導致的細胞凋亡[35]。

血管平滑肌細胞是脂紋和斑塊的重要組分。線粒體功能障礙是動脈粥樣硬化病變血管平滑肌細胞的顯著特征。Mfn2在血管平滑肌細胞的增殖和凋亡中起重要作用。在ApoE-/-小鼠的血管平滑肌細胞中Mfn2表達顯著下降，但可以通過過表達Mfn2抑制血管平滑肌細胞的異常增殖[36]。這是因為過表達Mfn2可以通過抑制蛋白激酶B(protein kinase B,Akt)信號和激活線粒體凋亡來介導血管平滑肌細胞凋亡[37]。并且在進一步的研究中發現，Mfn2過表達可以通過抑制細胞外調節蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases,ERK)和Akt磷酸化來抑制oxLDL誘導的血管平滑肌細胞增殖[38]。此外，在動脈粥樣硬化形成早期就已發現了線粒體DNA的損傷，并且異質性線粒體DNA變異體的數量增加與動脈粥樣硬化的形態學表型的程度相對應[39]?；钚匝跽T導線粒體DNA損傷導致線粒體功能受損，促進血管平滑肌細胞和巨噬細胞凋亡，抑制血管平滑肌細胞增殖，使壞死核心增多，纖維帽面積減少，增加斑塊的易損性，但當線粒體DNA完整性恢復時則會改善這種情況[40]。動脈粥樣硬化患者的血管平滑肌細胞核DNA和線粒體DNA的修復需要ATP和氧自由基，從而進一步導致線粒體功能障礙，加速斑塊的形成并抑制血管平滑肌細胞的功能[32]。

5 線粒體功能障礙與血管鈣化

目前認為衰老與慢性低度的炎癥狀態有關，并且炎癥會加劇與年齡相關的疾病。血管鈣化是衰老過程中的常見并發癥，特別是與動脈粥樣硬化和2型糖尿病緊密相關。有研究報道衰老會升高炎性因子白介素-6水平并損害主動脈的線粒體功能[41]。研究表明血管鈣化與炎癥狀態有關，炎癥引發的線粒體功能障礙能影響血管鈣化的發生發展,因此線粒體功能障礙與血管鈣化之間的聯系也得到廣泛研究。

維持線粒體動態平衡可能是血管平滑肌細胞對抗成骨樣表型轉變的潛在保護機制。在高磷誘導鈣化的血管平滑肌細胞中發現線粒體的結構和功能受損，但具有增強線粒體代謝功能的α-亞麻酸可通過抑制線粒體介導的凋亡并恢復Gas6/Axl/Akt通路來阻斷無機磷酸鹽誘導的血管平滑肌細胞鈣化[42]。Zhu等[43]發現乳酸處理血管平滑肌細胞會加速鈣化過程同時導致線粒體功能障礙，而BNIP3介導的線粒體自噬可以恢復線粒體的功能并抑制乳酸誘導的鈣化。Ma等[44]發現二甲雙胍可以促進線粒體生物合成，抑制β-甘油磷酸誘導的血管平滑肌細胞成骨表型轉化。Cui等[45]使用槲皮素抑制氧化應激和Drp1表達，可以減少線粒體分裂，從而阻止無機磷酸鹽誘導的血管平滑肌細胞凋亡和鈣化。Rogers等[46]研究也證明Drp1高表達于鈣化的人頸動脈中，并且抑制Drp1表達可以減輕平滑肌細胞和人瓣膜間質細胞鈣化。此外，線粒體通過產生活性氧直接參與鈣化過程。Zhao等[47]表明線粒體是介導高磷酸鹽誘導血管平滑肌細胞鈣化中活性氧的主要來源。局部過量的活性氧會導致血管退化和鈣化[48]。Tang等[49]發現線粒體活性氧可以通過調節血管平滑肌細胞的堿性磷酸酶表達來參與鈣化。Zhao等[47]也證實線粒體活性氧激活NF-κB信號通路并促進NF-κB亞單位p65轉位到細胞核內，進一步轉化為成骨表型來參與β-甘油磷酸誘導的鈣化。而使用抗氧化劑可以改善血管鈣化。Zhang等[50]發現白藜蘆醇可以通過SIRT1和核因子NF-E2相關因子(nuclear factor-erythroid 2-related factor 2,Nrf2)調節活性氧生成來減輕血管鈣化程度。并且白藜蘆醇還可通過PKA/LKB1/AMPK通路改善線粒體功能和氧化應激[51]。血管鈣化是一個復雜的、多因素、長時期的過程，多種機制可能通過線粒體途徑影響血管鈣化的發生發展。血管鈣化的防治一直都是臨床難點、重點，盡管近年來血管鈣化在機械治療如旋磨等技術上取得了長足的發展，但這種機械治療是基于晚期鈣化的一種被動治療[52]。而線粒體功能障礙和血管鈣化之間的關聯為我們防治血管鈣化提供了一個新思路，即線粒體靶向治療及抗氧化治療。

6 總結與展望

除成熟紅細胞外，幾乎所有人和動物細胞中都有線粒體，因此當線粒體出現功能障礙時會對人體造成多層次多方面的影響，并且這往往是一個惡性循環的過程。在代謝性炎癥如肥胖、2型糖尿病和動脈粥樣硬化過程中，持續的營養過剩和代謝紊亂是誘發線粒體功能障礙的重要因素，進一步地，線粒體功能障礙又加劇炎癥過程，這也是細胞走向凋亡，引發器官組織的長期功能障礙的誘因。目前已有大量研究從線粒體動力學、線粒體DNA、線粒體活性氧的產生及其抗氧化防御機制的角度出發，闡述其與代謝性炎癥的密切關系。尋找到多個可能的藥物作用靶點，開發藥物以應對線粒體功能障礙，以望有效控制住代謝性炎癥的進展，如白藜蘆醇，Mdivi-1,Dynasore，線粒體靶向抗氧化劑MitoQ等。線粒體靶向治療似乎是一個很有前景的治療領域，但是線粒體功能障礙與代謝性炎癥之間具體的調控機制過于復雜，并沒有得到詳細深入的闡述，甚至有些研究結果相互矛盾。因此，繼續尋找線粒體功能障礙的新機制有助于我們理解代謝性炎癥的發病機制，并推進其治療進展。