線粒體動(dòng)力學(xué)在肺動(dòng)脈高壓發(fā)病機(jī)制中的研究進(jìn)展

溫敬利 李甜甜 石莉程 孔輝 齊栩

線粒體是存在于真核生物細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞器，是細(xì)胞進(jìn)行呼吸作用及產(chǎn)生能量物質(zhì)的主要場(chǎng)所。線粒體不僅通過(guò)氧化磷酸化產(chǎn)生三磷酸腺苷為細(xì)胞提供能量，還在細(xì)胞代謝調(diào)節(jié)、細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)、細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)、細(xì)胞凋亡等生物過(guò)程中扮演重要角色，對(duì)維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)及機(jī)體生命活動(dòng)具有重要意義[1]。線粒體是動(dòng)態(tài)的細(xì)胞器，可以通過(guò)線粒體融合和分裂兩個(gè)相反的過(guò)程進(jìn)行形態(tài)變化，線粒體不斷分裂和融合的這一現(xiàn)象，稱為線粒體動(dòng)力學(xué)。線粒體動(dòng)力學(xué)是維持線粒體質(zhì)量、DNA穩(wěn)定性、能量產(chǎn)生、鈣穩(wěn)態(tài)、細(xì)胞分裂和分化的重要組成部分，而線粒體融合-分裂平衡的紊亂，可能導(dǎo)致線粒體功能障礙和細(xì)胞死亡[2]。肺動(dòng)脈高壓是一種由于肺小動(dòng)脈重塑導(dǎo)致肺血管阻力和壓力增加而引起的肺疾病。肺動(dòng)脈高壓的增殖性血管病變與腫瘤有幾個(gè)共同的線粒體異常，特別是向有氧糖酵解和線粒體分裂的轉(zhuǎn)變。當(dāng)前肺動(dòng)脈高壓的特異性治療方式有鈣通道阻滯劑、內(nèi)皮素受體拮抗劑、磷酸二酯酶5型抑制劑、可溶性鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶激動(dòng)劑、前列環(huán)素類似物和前列環(huán)素受體激動(dòng)劑[3]。它們可以改善肺動(dòng)脈高壓患者血流動(dòng)力學(xué)紊亂，減少住院人數(shù)，但這些藥物會(huì)引起頭痛、低血壓、消化道癥狀等不良反應(yīng)，而且這些血管擴(kuò)張劑并沒(méi)有針對(duì)肺動(dòng)脈高壓發(fā)病機(jī)制的關(guān)鍵特征，即沒(méi)有逆轉(zhuǎn)肺血管重塑，也沒(méi)有顯示出降低死亡率的作用[4]。因此，進(jìn)一步研究肺動(dòng)脈高壓的發(fā)病機(jī)制，并據(jù)此發(fā)現(xiàn)肺動(dòng)脈高壓的靶向治療方式至關(guān)重要。

肺動(dòng)脈高壓及發(fā)病機(jī)制

肺動(dòng)脈高壓是一種特發(fā)性心肺疾病，其特征是血管細(xì)胞過(guò)度增殖和抗凋亡，以及炎癥、血栓形成和血管收縮，從而導(dǎo)致肺小動(dòng)脈阻塞。血管阻塞增加了右心室的后負(fù)荷，最終導(dǎo)致右心衰竭[5]。肺動(dòng)脈高壓的發(fā)病機(jī)制主要包括以下五個(gè)方面[6]：①胞漿鈣的增加：鈣離子內(nèi)流的增加和細(xì)胞器鈣攝取障礙共同導(dǎo)致了胞漿鈣的增加，這促使肺動(dòng)脈高壓患者的肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞(pulmonary arterial smooth muscle cell，PASMC)的收縮、增殖和抗凋亡。②細(xì)胞糖代謝方式的轉(zhuǎn)換：在肺動(dòng)脈高壓患者的PASMC、內(nèi)皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、右心室心肌細(xì)胞中，可以發(fā)現(xiàn)糖代謝由氧化磷酸化向有氧糖酵解轉(zhuǎn)變。③線粒體動(dòng)力學(xué)紊亂：在肺動(dòng)脈高壓患者PASMC中，可以發(fā)現(xiàn)線粒體分裂的增加和線粒體融合的減少，這有利于PASMC的增殖。④遺傳因素：主要是骨形態(tài)發(fā)生蛋白受體-2(morphogenetic protein type-2 receptor，BMPR2)突變。BMPR2突變被認(rèn)為是肺動(dòng)脈高壓發(fā)生發(fā)展的前提，但仍需要額外的遺傳、表觀遺傳或環(huán)境因素才能使攜帶BMPR2突變的患者發(fā)生肺動(dòng)脈高壓。⑤表觀遺傳因素：基因的表達(dá)也受到表觀遺傳學(xué)的影響，表觀遺傳學(xué)被定義為在不改變基因組DNA序列的情況下改變基因表達(dá)的機(jī)制。肺動(dòng)脈高壓的表觀遺傳機(jī)制包括DNA甲基化、組蛋白修飾和微小RNA(MicroRNA)調(diào)控。近期研究表明，線粒體動(dòng)力學(xué)在神經(jīng)退行性病變、2型糖尿病、肺動(dòng)脈高壓和多種腫瘤的發(fā)生發(fā)展中起到重要作用[7-9]。所以，本文主要介紹線粒體動(dòng)力學(xué)在肺動(dòng)脈高壓發(fā)病機(jī)制中的作用，并簡(jiǎn)要介紹有關(guān)線粒體動(dòng)力學(xué)的表觀遺傳學(xué)與肺動(dòng)脈高壓的關(guān)系。

線粒體動(dòng)力學(xué)與線粒體質(zhì)量控制

線粒體質(zhì)量控制通過(guò)調(diào)控線粒體形態(tài)、數(shù)量和質(zhì)量的相對(duì)穩(wěn)定來(lái)維持細(xì)胞和生物體內(nèi)穩(wěn)態(tài)，是細(xì)胞內(nèi)一種重要的防御機(jī)制[10]。線粒體質(zhì)量控制主要包括線粒體生物合成、線粒體動(dòng)力學(xué)、線粒體自噬三個(gè)重要過(guò)程，其中以線粒體動(dòng)力學(xué)最為重要。線粒體是一種動(dòng)態(tài)變化的細(xì)胞器，通過(guò)不斷分裂和融合來(lái)維持自身的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)態(tài)，線粒體融合和分裂的這一動(dòng)態(tài)過(guò)程被稱為線粒體動(dòng)力學(xué)。線粒體分裂與融合的動(dòng)態(tài)平衡不僅可以維持線粒體的正常形態(tài)，還對(duì)線粒體DNA的遺傳完整性、細(xì)胞的能量供給、細(xì)胞增殖凋亡以及代謝的平衡具有重要意義[2]。線粒體分裂依賴于胞漿內(nèi)的動(dòng)力相關(guān)蛋白1(dynamin-related protein 1，DRP1)和線粒體外膜(mitochondrial outer membrane，OMM)上的線粒體分裂蛋白1(fission 1 ，F(xiàn)IS1)、線粒體分裂因子(mitochondrial fission factor，MFF)、線粒體動(dòng)力蛋白49(mitochondrial dynamics protein of 49 kDa，MID49)和線粒體動(dòng)力蛋白51(mitochondrial dynamics protein of 51 kDa，MID51)。線粒體分裂能夠適應(yīng)細(xì)胞生長(zhǎng)需要，產(chǎn)生更多的線粒體，同時(shí)也可以隔離受損后不可修復(fù)的線粒體部分，促發(fā)線粒體自噬，清除受損線粒體[11]。線粒體融合依賴于線粒體內(nèi)膜(mitochondrial inner membrane，IMM)上的視神經(jīng)萎縮蛋白1(optic atrophy 1，OPA1)和OMM上線粒體融合蛋白1(mitifusin1，MFN1)、線粒體融合蛋白2(mitifusin 2，MFN2)。線粒體融合有助于線粒體間的信號(hào)傳導(dǎo)和能量傳遞，從而保證細(xì)胞線粒體的均一性，糾正線粒體的不足和缺陷，還可以使線粒體能夠更加有效地應(yīng)對(duì)應(yīng)激時(shí)細(xì)胞能量需求的迅速增加[11]。因此，線粒體分裂和融合是細(xì)胞進(jìn)行線粒體質(zhì)量控制，保證細(xì)胞能量代謝的重要手段。

線粒體動(dòng)力學(xué)在肺動(dòng)脈高壓發(fā)生中的作用

一、線粒體分裂與肺動(dòng)脈高壓

哺乳動(dòng)物細(xì)胞中調(diào)控線粒體分裂的相關(guān)蛋白主要有DRP1、FIS1、MFF、MID49和MID51。線粒體分裂是一系列蛋白精確調(diào)控的復(fù)雜的生物學(xué)過(guò)程。DRP1是線粒體分裂最重要的蛋白，它通常存在于胞漿中，但激活后移位到線粒體。在線粒體中，DRP1與位于OMM上的結(jié)合伴侶結(jié)合，這些結(jié)合伴侶包括FIS1、MFF、MID49和MID51。DRP1和它的結(jié)合伴侶形成了一種多聚體分裂裝置，這種裝置可以收縮和分裂線粒體。

DRP1最常見(jiàn)的翻譯后修飾是磷酸化/去磷酸化修飾，而激活或抑制DRP1活性，則取決于其磷酸化位點(diǎn)。DRP1 的 Ser616 位點(diǎn)磷酸化可增強(qiáng)其活性，而Ser637 位點(diǎn)磷酸化減弱其活性[12]。蛋白激酶A(protein kinase A，PKA)介導(dǎo)的DRP1的Ser637 位點(diǎn)磷酸化，促進(jìn)線粒體融合。與PKA介導(dǎo)的DRP1的Ser637處的磷酸化相反，受生物鐘調(diào)節(jié)的鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶的激活，使DRP1的Ser637 位點(diǎn)去磷酸化[13]，從而通過(guò)促進(jìn)DRP1移位到線粒體而導(dǎo)致線粒體分裂。同樣，cyclin B1/CDK1介導(dǎo)的DRP1的Ser616位點(diǎn)磷酸化促進(jìn)了線粒體分裂[14]。此外，線粒體分裂抑制因子1(mitochondrial division inhibitor 1，Mdivi-1)與DRP1上的變構(gòu)位點(diǎn)結(jié)合，阻斷DRP1自組裝所需的構(gòu)象變化，從而抑制線粒體分裂[15]；干擾肽p110也可以通過(guò)阻止DRP1和FIS1之間的相互作用來(lái)抑制線粒體分裂[16]。

線粒體分裂和融合的失衡參與了與肺動(dòng)脈高壓的肺血管重構(gòu)，而DRP1是PASMC增殖的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。G. Marsboom[14]等研究發(fā)現(xiàn)，缺氧誘導(dǎo)因子1α(hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α)介導(dǎo)的線粒體分裂導(dǎo)致肺動(dòng)脈高壓患者的PASMC增殖增加，通過(guò)化學(xué)激活HIF-1α可誘導(dǎo)PASMC中DRP1的Ser616位點(diǎn)磷酸化和線粒體分裂，這說(shuō)明HIF-1α刺激線粒體分裂需依賴DRP1。X. Chen[17]等研究進(jìn)一步證實(shí)了這一結(jié)論。Mdivi-1通過(guò)與DRP1上的變構(gòu)位點(diǎn)結(jié)合抑制線粒體分裂，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，Mdivi-1的抗增殖作用歸因于誘導(dǎo)細(xì)胞周期停滯于G2/M期，這表明細(xì)胞周期的進(jìn)展依賴于線粒體的分裂[14]。Mdivi-1在抑制線粒體分裂的同時(shí)，還抑制了PASMC中的糖酵解代謝[18]。V. Parra[18]等還發(fā)現(xiàn)了曲美他嗪通過(guò)抑制線粒體分裂，逆轉(zhuǎn)了肺動(dòng)脈高壓的PASMC的重塑。在肺動(dòng)脈高壓PASMC中同樣發(fā)現(xiàn)了ROS產(chǎn)生的增加。L. Zhang[19]等研究發(fā)現(xiàn)ROS與DRP1相互作用通過(guò)促進(jìn)缺氧下PASMC的線粒體分裂和抑制PASMC的凋亡，從而導(dǎo)致肺血管重構(gòu)。此外，DRP1還參與了肺動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞的促遷移、促增殖和抗凋亡過(guò)程。T. Shen[20]等研究發(fā)現(xiàn)DRP1通過(guò)線粒體Ca2+促進(jìn)肺動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞遷移、增殖，并抑制其凋亡，從而參與肺動(dòng)脈新生血管的形成，這提示DRP1調(diào)控的線粒體動(dòng)力學(xué)在肺血管重塑中的新作用。除了肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞及內(nèi)皮細(xì)胞外，R. Umezu[21]等研究發(fā)現(xiàn)DRP1通過(guò)促進(jìn)巨噬細(xì)胞介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)促進(jìn)損傷的血管內(nèi)膜增厚，巨噬細(xì)胞中的DRP1可能是血管疾病的潛在治療靶點(diǎn)。但是巨噬細(xì)胞中DRP1的這一作用還未在肺動(dòng)脈高壓中得以證實(shí)。

胞漿DRP1是線粒體分裂最重要的調(diào)節(jié)蛋白，同時(shí)其線粒體外膜上的配體蛋白MID49、MID51、FIS1和MFF對(duì)線粒體分裂也有一定的影響。O. C. Loson[22]等研究發(fā)現(xiàn)FIS1、MFF、MID49和MID51都可以招募DRP1到線粒體外膜并促進(jìn)線粒體分裂。但需要注意的是，在沒(méi)有FIS1和MFF的情況下，MIDs也能夠促進(jìn)線粒體分裂。這一結(jié)果也在K. H. Chen[23]等研究中得到證實(shí)，即在肺動(dòng)脈高壓患者肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞中，MIDs的表達(dá)增加促進(jìn)了DRP1介導(dǎo)的線粒體分裂，并且促進(jìn)了細(xì)胞增殖，減少了細(xì)胞凋亡。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，MIDs的上調(diào)是由于miR-34a-3p表達(dá)降低所致。沉默MIDs或增強(qiáng)miR-34a-3p可使野百合堿誘導(dǎo)的肺動(dòng)脈高壓好轉(zhuǎn)。總之，在健康狀態(tài)下，MIDs調(diào)節(jié)DRP1介導(dǎo)線粒體分裂，而在疾病中，MIDS的表觀遺傳上調(diào)，增加了線粒體分裂，從而導(dǎo)致肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞病理性增殖和凋亡抵抗。MiR-34a-3p-MID通路為肺動(dòng)脈高壓提供了新的治療靶點(diǎn)。K. H. Chen[23]等還發(fā)現(xiàn)在DRP1線粒體外膜的四種配體中，MID49和MID51調(diào)節(jié)線粒體分裂的作用是獨(dú)特的，因?yàn)槌聊渌鸇RP1受體蛋白MFF或FIS1，不會(huì)改變PASMC增殖和線粒體分裂，這一發(fā)現(xiàn)與O. C. Loson[22]等的研究發(fā)現(xiàn)有所不同。FIS1在哺乳動(dòng)物線粒體動(dòng)力學(xué)中的作用已經(jīng)變得有爭(zhēng)議，因?yàn)榻谘芯堪l(fā)現(xiàn)FIS1還可以作為線粒體融合的抑制因子[24]而存在。此外，MFF在線粒體動(dòng)力學(xué)中的具體作用還不明確，因此MFF和FIS1在線粒體分裂-融合中的作用有待進(jìn)一步研究。

二、線粒體融合與肺動(dòng)脈高壓

哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)調(diào)控線粒體融合的相關(guān)蛋白主要有 MFN1、MFN2和OPA1。線粒體融合是一個(gè)復(fù)雜的、進(jìn)化上高度保守的過(guò)程。IMM蛋白OPA1與OMM蛋白MFN1/2相互作用，形成膜間蛋白復(fù)合物，將外膜與內(nèi)膜的融合連接起來(lái)。與線粒體分裂蛋白類似，線粒體融合蛋白的活性也可以通過(guò)翻譯后修飾來(lái)改變。MFN1/2的丟失阻止了OMM和IMM的融合，而OPA1的丟失阻止了IMM的融合，但不阻止OMM的融合[25]。

J. J. Ryan[26]等研究發(fā)現(xiàn)在肺動(dòng)脈高壓中，MFN2的表達(dá)降低導(dǎo)致PASMC線粒體分裂和過(guò)度增殖。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，MFN2的轉(zhuǎn)錄輔助激活因子-過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活物1-α(peroxisome proliferator-activated receptor g coactivator 1-α，PGC1α)在肺動(dòng)脈高壓PASMC中的表達(dá)也下降。而且PGC1α基因敲除會(huì)導(dǎo)致線粒體分裂，增強(qiáng)MFN2的表達(dá)可以逆轉(zhuǎn)PGC1α基因敲除導(dǎo)致的線粒體分裂，這說(shuō)明PGC1α可以誘導(dǎo)MFN2的表達(dá)[26]。而PGC1α通常作為線粒體生物發(fā)生的主要調(diào)節(jié)因子為我們所熟知[27]，這一發(fā)現(xiàn)揭示了PGC1α在線粒體質(zhì)量控制中的新作用。因此，補(bǔ)充MFN2或PGC1α對(duì)肺動(dòng)脈高壓有治療作用。路政[28]進(jìn)一步研究了有關(guān)MFN2的肺動(dòng)脈高壓的表觀遺傳學(xué)異常。在肺動(dòng)脈高壓患者的肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞中，miR-17表達(dá)上調(diào)，而MFN2表達(dá)下調(diào)，同時(shí)，抑制miR-17的表達(dá)可以抑制肺動(dòng)脈高壓患者PASMC的增殖，并且可以促進(jìn)其凋亡。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，miR-17是通過(guò)靶向調(diào)控MFN2基因表達(dá)來(lái)調(diào)控肺動(dòng)脈高壓患者PASMC的增殖和凋亡。因此，miR-17/MFN2調(diào)控途徑是肺動(dòng)脈高壓患者PASMC過(guò)度增殖與凋亡抑制的重要調(diào)節(jié)機(jī)制，miR-17與MFN2可能是肺動(dòng)脈高壓的潛在治療靶點(diǎn)。MFN1同樣參與了肺動(dòng)脈高壓患者PASMC的增殖。C. Ma[29]等研究表明缺氧在體內(nèi)和體外都上調(diào)了PASMC中MFN1的表達(dá)，而且MFN1介導(dǎo)的PASMC線粒體穩(wěn)態(tài)和細(xì)胞增殖在低氧條件下受miR-125a的調(diào)控。這些結(jié)果為miR-125a-MFN1通路在肺動(dòng)脈高壓中的防治作用提供了理論依據(jù)。此外，A. Szabo[30]等研究發(fā)現(xiàn)BGP-15通過(guò)促進(jìn)OPA1的GTPase活性和自聚集來(lái)促進(jìn)線粒體融合，但這一作用還未在肺動(dòng)脈高壓中得到證實(shí)。

三、線粒體動(dòng)力學(xué)與肺動(dòng)脈高壓右心室功能障礙

心力衰竭是肺動(dòng)脈高壓患者死亡的主要原因，是復(fù)雜的生化過(guò)程的結(jié)果。線粒體動(dòng)力學(xué)與肺動(dòng)脈高壓的右心室功能障礙關(guān)系密切。

L. Tian[31]等研究發(fā)現(xiàn)肺動(dòng)脈高壓伴隨著右心室缺血，DRP1-FIS1介導(dǎo)的線粒體分裂可導(dǎo)致右心室舒張功能障礙，同時(shí)Mdivi-1和p110通過(guò)抑制線粒體分裂可以減輕缺血再灌注損傷所致的右室舒張功能障礙。L. Tian等進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)肺動(dòng)脈高壓右心室的成纖維細(xì)胞發(fā)生線粒體動(dòng)力學(xué)紊亂，即野百合堿誘導(dǎo)的肺動(dòng)脈高壓大鼠右心室成纖維細(xì)胞線粒體碎裂增加，且成纖維細(xì)胞的增殖率和膠原生成增加，而這與野百合堿誘導(dǎo)的肺動(dòng)脈高壓大鼠右心室成纖維細(xì)胞中DRP1蛋白表達(dá)增加和MFN2表達(dá)降低有關(guān)[32]。在體外，通過(guò)Mdivi-1和p110抑制DRP1可以減少成纖維細(xì)胞線粒體的分裂、增殖和Ⅲ型膠原的表達(dá)。這是首次描述肺動(dòng)脈高壓的肺動(dòng)脈高壓右心室成纖維細(xì)胞中線粒體動(dòng)力學(xué)紊亂，表明Drp1是肺動(dòng)脈高壓右心室中一個(gè)潛在的新的抗纖維化靶點(diǎn)。P. Y. Xiong[33]等研究還發(fā)現(xiàn)肺動(dòng)脈高壓的右心室功能障礙和纖維化也與MID51的表達(dá)增加有關(guān)。此外，S. R. Joshi[34]等研究發(fā)現(xiàn)在肺動(dòng)脈高壓患者右心室中miR-140的增加和MFN1的表達(dá)降低之間存在相關(guān)性，而且miR-140的上調(diào)和MFN1的下調(diào)與肺動(dòng)脈高壓相關(guān)的右心室收縮壓升高和肥厚相關(guān)。這些結(jié)果提示miR-140和MFN1在肺動(dòng)脈高壓相關(guān)性右心室功能障礙的發(fā)病機(jī)制中起一定作用。

總結(jié)與展望

肺動(dòng)脈高壓的特征是肺血管重塑，從而導(dǎo)致右心室后負(fù)荷增加，進(jìn)一步導(dǎo)致右心室肥厚，最終導(dǎo)致右心室衰竭而死亡。雖然現(xiàn)有的治療方式可以從舒張肺血管途徑控制肺動(dòng)脈高壓的癥狀，但不能逆轉(zhuǎn)肺血管重塑，也不能降低肺動(dòng)脈高壓患者的死亡率。所以迫切需要從肺動(dòng)脈高壓發(fā)病機(jī)制中找到一種特異性的治療方式。近年來(lái)發(fā)現(xiàn)有關(guān)線粒體動(dòng)力學(xué)的miR-34a-3p-MIDs通路、miR-125a-MFN1通路和miR-17-MFN2通路在肺動(dòng)脈高壓發(fā)生中發(fā)揮重要作用。此外，Mdivi-1和p110作為DRP1的抑制劑可以減少肺動(dòng)脈高壓的線粒體分裂，曲美他嗪也通過(guò)抑制線粒體分裂，對(duì)缺氧誘導(dǎo)的PASMC增殖起到抑制作用。所以，基于線粒體動(dòng)力學(xué)的miRNA調(diào)控及線粒體分裂-融合相關(guān)蛋白的激活劑或抑制劑有望成為肺動(dòng)脈高壓新的治療藥物。