Drp1在糖尿病心肌病中的作用機制研究進展

宋小剛，吳冰，陳永清

1蘭州大學第二臨床醫學院，甘肅 蘭州 730030；2解放軍聯勤保障部隊第940醫院老年科，甘肅 蘭州 730050；3甘肅省中心醫院心內科，甘肅 蘭州 730070

目前，全球糖尿病患者約4.51億，預計到2045年將增加至6.93億[1]。超過50%的糖尿病患者死亡或致殘的原因為心血管并發癥[2]。糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy，DCM)是一種獨立于冠狀動脈疾病、高血壓和心臟瓣膜病而發生心力衰竭的病理生理狀態，早期即可出現心肌纖維化、心肌重塑和舒張功能障礙，隨后出現收縮功能障礙，最終發展為心力衰竭[3]。DCM的發生涉及多種機制，包括心臟胰島素信號傳導異常、線粒體功能障礙、氧化應激、炎癥反應、鈣超載、內質網應激、微血管功能障礙和腎素-血管緊張素-醛固酮系統(RAAS)的激活等[4-5]，其中線粒體功能障礙和氧化應激被認為是DCM發生的主要病理生理機制[6-7]。線粒體是高度動態的細胞器，其分裂與融合平衡失調所致的線粒體功能障礙是許多心血管疾病的始動因素，如內皮功能障礙、心肌肥大、心肌病、心力衰竭、心肌缺血再灌注損傷等[8]。動力相關蛋白1(dynamin related protein 1，Drp1)是線粒體分裂的調節因子，在線粒體功能障礙和線粒體氧化應激中發揮著至關重要的作用。本文圍繞Drp1在線粒體分裂及DCM中的作用機制進行綜述，旨在為DCM的基礎研究和臨床診療提供新思路。

1 線粒體結構

線粒體位于細胞質中，由高滲透的外膜和低滲透的內膜組成，膜間隙含有細胞色素C等可溶性酶及半胱氨酸蛋白酶(caspase)-3、caspase-9的前體和輔助因子。內膜的生物氧化過程可產生跨膜電子梯度，并介導電子傳輸及磷酸化，從而生成三磷酸腺苷(ATP)。基質中包含線粒體脫氧核糖核酸(DNA)、核糖核酸(RNA)、核糖體、酶等(圖1A)，是進行三羧酸循環的重要場所。

正常心肌細胞線粒體呈管狀、棒狀結構，橫截面呈橢圓形，長寬比約1.5，密集地排列在心肌纖維間隙中，平均長度約7.97 μm，而過度分裂的線粒體呈碎片狀或小而圓形，平均長度約2.83 μm。

2 線粒體的融合與分裂

線粒體動力學包括線粒體的融合與分裂，線粒體動力蛋白家族均含有三磷酸鳥苷(GTP)酶活性。介導線粒體融合的蛋白有線粒體融合蛋白(Mfn)1、Mfn2及視神經萎縮蛋白1(Opa1)(圖1B)。線粒體分裂是一個多步驟的過程，包括線粒體膜的收縮及斷裂，這一過程由Drp1及其受體介導，其受體包括線粒體分裂蛋白1(Fis1)、線粒體裂變因子(Mff)、49 kD線粒體動力蛋白(MiD49)和51 kD線粒體動力蛋白(MiD51)(圖1C)。線粒體融合與分裂之間的動態平衡不但有利于線粒體的更新及清除，而且在維持心肌細胞收縮功能和能量代謝平衡中也發揮著重要作用[9]。

圖1 線粒體的結構(A)、融合(B)與分裂(C)Fig.1 Mitochondrial structure(A), fusion (B) and fission (C)

3 Drp1與線粒體分裂

Drp1由4個保守區域組成，包括GTP酶結構域、中間結構域、可變結構域和GTP酶效應結構域(GED)。Drp1是一種胞質蛋白，通常以無活性的形式存在于細胞質中。Drp1活化后與Fis1、Mff結合，從胞質轉運至線粒體外膜，在膜周圍形成環狀寡聚體結構，促進線粒體分裂。Drp1與線粒體外膜的結合受多種受體(如Fis1、Mff、MiD49、MiD51等)調節。MiD49及MiD51較Fis1、Mff招募Drp1的能力更強，二者可在無Fis1及Mff協助的情況下將Drp1招募至線粒體外膜，啟動分裂。

Drp1的激活和轉位受磷酸化、棕櫚酰化、泛素化和亞硝酰化的調節，以磷酸化最為重要。Drp1的兩個絲氨酸殘基(ser616和ser637)通過磷酸化來影響Drp1的活性和定位。Drp1 ser616磷酸化后激活Drp1，使其向線粒體外膜轉移，促進線粒體分裂；而Drp1 ser637磷酸化后則可抑制Drp1的活化及Drp1向線粒體外膜的轉移，進而抑制線粒體分裂[10-11]。

高血糖、高血脂、缺血缺氧、紫外線輻射等均可使Drp1 ser616磷酸化，促進線粒體分裂。在2型糖尿病(T2DM)中，Drp1、Fis1、Mff的表達水平升高，而Mfn1、Mfn2、OPA1的表達水平明顯降低，線粒體分裂增加，線粒體的形態表現為碎片化，且更短更圓。

4 Drp1與DCM

目前認為，氧化應激、代謝紊亂、心肌纖維化、炎癥反應、細胞凋亡、內質網應激等是DCM細胞損傷的主要機制。最新研究發現，Drp1可參與糖尿病心肌細胞的活性氧(ROS)產生、能量代謝異常、糖脂代謝紊亂、胰島素抵抗及細胞凋亡過程，導致DCM的發生發展，最終進展為心功能不全[12-13]。

4.1 Drp1與氧化應激 煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)和黃素腺嘌呤二核苷酸(FADH2)氧化的電子通過線粒體內膜中的電子傳輸鏈(ETC)穿過內膜到達膜間隙，產生電化學梯度，促進無機磷酸與二磷酸腺苷(ADP)結合生成ATP。在糖尿病心肌細胞中，Drp1表達增高，線粒體復合體Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ的功能發生障礙，泛醌自由基延長，從而引起ETC異常電子泄露，并與氧原子結合后導致ROS產生增加[14]。同時，由于胰島素缺乏或胰島素抵抗，線粒體代謝底物從葡萄糖轉換為脂肪酸，以代償產生足夠的ATP，但這個過程會產生更多的ROS，破壞氧化磷酸化過程[15]。

線粒體是氧化磷酸化的場所，也是ROS的主要來源，低濃度ROS具有細胞內信號轉導功能，可發揮信號分子的作用。但高濃度的ROS可誘導細胞應激損傷甚至造成細胞死亡，導致DCM。Drp1過表達或Mfn1敲除后，線粒體分裂增加、融合減少，導致線粒體碎片化，并產生過量的ROS[16]；ROS可增加解偶連蛋白(UCP)的活性，后者可使ATP生成和電子轉運分離，導致熱量產生增加而ATP生成減少[17]。其次，ROS還可損傷DNA、RNA、脂質、蛋白質及酶，導致糖尿病心肌細胞凋亡增加及DCM的發生。

線粒體不僅是ROS的主要產生部位，也是應激狀態下ROS主要的攻擊靶點[18]。Drp1過表達產生過量ROS，可導致氧化應激損傷、線粒體膜去極化增加、膜電位下降，并促進線粒體通透轉換孔(mPTP)的病理性開放，膜間隙細胞色素C滲漏，進而出現線粒體腫脹、膜破裂及線粒體功能障礙，最終導致心肌細胞死亡[19-20]。氧化應激被認為是糖尿病心肌細胞損傷和DCM發生的罪魁禍首[21-23]。過量的ROS可耗盡細胞內的超氧化物歧化酶[錳超氧化物岐化酶(MnSOD)、銅鋅超氧化物岐化酶(CuZnSOD)]和抗氧化酶[過氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)和過氧化物還原酶(PRX)]，導致氧化應激損傷，損害心肌細胞Ca2+泵活性，同時也會降低心肌細胞對Ca2+的敏感性，抑制心肌收縮和舒張功能，從而導致心功能障礙及DCM進展[15,24]。

4.2 D r p 1 與能量代謝障礙 心肌細胞能量60%～80%來源于線粒體脂肪酸β-氧化。糖尿病初期，線粒體Drp1表達增高，線粒體分裂增加，葡萄糖氧化磷酸化受損，ATP產生減少，但由于RAAS激活，兒茶酚胺分泌增多，脂肪組織動員加速，血漿游離脂肪酸(FFA)濃度升高，FFA進入心肌細胞增加，脂肪酸β-氧化增強，代償性產生足夠的ATP以維持心肌細胞功能。但隨著病情進展，Drp1表達進一步增高，線粒體分裂增加呈碎片狀，線粒體復合體Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ的活性明顯降低，呼吸鏈功能受損，線粒體功能障礙，脂肪酸β-氧化能力下降，ATP生成明顯減少，導致糖尿病心功能障礙加重。此外，由于ATP合成減少，心肌細胞鈣泵功能障礙，導致胞質Ca2+超載，進而損害心肌舒張及收縮功能，加重DCM心功能障礙[21,25-26]。

4.3 Drp1與細胞凋亡 與健康人相比，糖尿病心肌細胞凋亡增加了85倍，而線粒體功能障礙在糖尿病心肌細胞凋亡中發揮了重要作用[27-28]。DCM的特征是氧化應激和線粒體功能障礙，二者共同導致心肌細胞凋亡增加[29]。糖尿病線粒體Drp1 ser616磷酸化增加，活化的Drp1由胞質向線粒體轉移，促進線粒體分裂，進而誘發線粒體內膜mPTP開放、膜電位下降、基質腫脹、線粒體外膜通透性增加，以及細胞色素C被釋放至細胞質中，從而使凋亡因子caspase-3、B細胞淋巴瘤2相關X蛋白因子(Bax)活化，啟動細胞凋亡程序；同時，ROS產生增加、氧化應激增強，線粒體呼吸鏈受損、ATP產生減少，內質網應激、炎癥細胞因子釋放增加，以及RAAS局部激活增加等因素，最終共同導致心肌細胞凋亡增加[30-33]。心肌細胞凋亡增加導致細胞數量減少，心肌收縮功能受損，最終造成心肌重塑、心臟擴大、心功能障礙，導致DCM惡化[34]。

4.4 Drp1與胰島素抵抗和脂毒性 糖尿病心肌細胞中，Drp1、Fis1表達增多，Mfn1、Mfn2表達減少，線粒體分裂增加，碎片化線粒體增多，管狀網絡線粒體減少，線粒體動力學失衡。線粒體過度分裂可抑制胰島素受體底物(IRS1)/蛋白激酶B(Akt)信號通路，并阻止葡萄糖轉運體(GLUT)轉移至細胞膜轉運葡萄糖分子，從而導致胰島素抵抗。同時，ROS產生增多也可抑制IRS1/Akt信號通路，導致GLUT轉運葡萄糖減少，進一步加重胰島素抵抗。由于胰島素信號被抑制，GLUT向胞膜募集減少、葡萄糖攝入及氧化磷酸化減少，肌質網鈣泵活性下降，心肌細胞內Ca2+濃度升高，導致心肌僵硬，最終發生DCM舒張功能不全[35]。

糖尿病心肌細胞中，由于胰島素缺乏或胰島素抵抗，心肌細胞葡萄糖攝取及利用率降低，心肌細胞攝取脂肪酸和β-氧化相對增加，以維持足夠的ATP生成[36]。然而，心肌細胞攝取脂肪酸超過了β-氧化的能力，胞質內未完全代謝的脂肪酸增多，從而導致細胞內脂質蓄積和脂毒性增加。其中，二酰甘油(DAG)可通過激活蛋白激酶C(PKC)抑制胰島素受體，神經酰胺(CER)也可通過抑制Akt而抑制胰島素信號，誘發胰島素抵抗。胰島素抵抗和脂毒性共同導致心肌細胞能量代謝障礙，使心肌肥大、心腔擴大，DCM進一步加重[37-39]。

Drp1轉運至線粒體是線粒體分裂的標志，也是發生胰島素抵抗的必要條件。敲除Drp1或應用Drp1抑制劑阻止Drp1由胞質向線粒體外膜的轉運可抑制線粒體分裂、減少線粒體碎片及延長線粒體網絡，從而逆轉胰島素抵抗[40]。

5 Drp1抑制劑與DCM

線粒體分裂抑制劑1(Mdivi-1)可通過減少Drp1 ser616磷酸化來抑制Drp1活化，或通過抑制Drp1的GTP酶活性來抑制Drp1的功能，減少線粒體分裂，從而改善線粒體功能、抑制mPTP開放，減少心肌細胞凋亡。研究發現，Mdivi-1可抑制Drp1活化，使ROS和超氧陰離子產生減少，心肌細胞線粒體復合體Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ的功能改善，線粒體電子傳輸鏈ETC活性增強，ATP生成增多，DCM心功能改善[41]。

褪黑素通過SIRT1-PGC1α途徑抑制Drp1的表達，并以腺苷酸活化蛋白激酶α(AMPKα)依賴的方式抑制Drp1 ser616的磷酸化，增強Drp1 ser637的磷酸化，從而抑制Drp1的活化、增加Mfn2和Opa1的表達，并可抑制線粒體分裂、增加線粒體融合，抑制mPTP開放、減少細胞色素C釋放，減少線粒體膜電位下降及改善線粒體復合體Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ的功能，最終減少心肌細胞凋亡，改善DCM的心功能[42]。

黃芩苷是一種天然的黃酮化合物，可通過減少Drp1 ser616的磷酸化抑制Drp1活化，從而抑制線粒體分裂，并可減輕線粒體腫脹及膜電位下降，抑制心肌細胞凋亡，進而保護心功能，改善DCM的預后[30]。因此，Drp1抑制劑可能成為DCM的一種潛在治療手段。

6 Drp1敲除的利與弊

線粒體自噬是清除細胞內異常線粒體的一種防御機制，通過線粒體不對稱分裂選擇性地清除老化、病理性及受損的線粒體，并通過溶酶體進行降解，是心肌細胞功能自我調節的關鍵[43-44]。Drp1介導的線粒體分裂與線粒體自噬之間存在相互依賴的關系。Drp1向線粒體募集既是啟動分裂的標志，也是啟動自噬的關鍵步驟[11,45]。DCM中，Drp1 Ser616磷酸化增加，Drp1轉移至線粒體增多，同時線粒體自噬也被激活。但是，通過過度下調Drp1的表達來抑制Bnip3誘導的線粒體自噬，可導致細胞內受損線粒體清除減少，反而會加重線粒體功能障礙[46]。

糖尿病心肌細胞中Drp1表達增高，線粒體過度分裂，碎片化的線粒體成為線粒體自噬和溶酶體降解的目標，而有功能的線粒體相對減少，從而導致線粒體功能障礙。但是，過度抑制Drp1的表達也可能導致線粒體自噬被抑制，甚至造成心肌細胞損傷[47]。

研究發現，線粒體分裂是線粒體自噬的先決條件。敲除新生小鼠的Drp1可導致線粒體分裂減少、自噬受損，使受損線粒體蓄積、氧化應激增加、ATP生成減少、鈣泵功能障礙，從而使細胞內脂質過氧化物含量升高，細胞電活動受損，以及白細胞介素(IL)-6、腫瘤壞死因子(TNF)-α等炎性因子分泌增加，進而導致嚴重的肌肉萎縮，危及新生小鼠的心臟發育，最終發生心腔擴張和心力衰竭[48]。

7 總結與展望

糖尿病心肌細胞中Drp1活化增強，線粒體分裂增加、融合減少，線粒體功能障礙，導致心肌細胞氧化應激增強、能量代謝障礙、細胞凋亡增加、胰島素抵抗和脂毒性增加，進而誘發糖尿病心肌病的發生發展。抑制Drp1的活化及表達，可減少心肌細胞凋亡，改善DCM心功能，以及延緩病情進展。然而，敲除Drp1后線粒體分裂減少、自噬受損，線粒體功能障礙加重，則可導致心肌細胞受損、心功能障礙加重。因此，線粒體分裂是一把雙刃劍，生理性分裂對于線粒體功能至關重要，抑制Drp1的過度活化，保持線粒體分裂與融合之間的動態平衡，才能維持正常的線粒體功能及糖尿病和DCM患者的心臟功能，并改善疾病預后。但是，如何通過Drp1精準平衡線粒體分裂與融合過程，仍需要更多的探索性研究進行驗證。