線粒體融合/分裂平衡在高血壓靶器官損害及治療中的作用研究進展*

張世益 胡 陽綜述 鄧 潔審校

線粒體動力學包括線粒體分裂、融合、質量控制和運輸,其中融合和分裂是最關鍵的2 個過程[1]。線粒體通過調控融合/分裂平衡來維持其正常結構和功能。線粒體過度融合會引起分裂不足,導致線粒體數量減少,生產的ATP也減少,無法滿足細胞能量需要[2,3]。線粒體過度分裂不僅會引起受損線粒體融合困難,無法通過與一個健康線粒體融合來稀釋毒性超氧化物和修正受損線粒體DNA,進而實現自我修復,導致不成熟線粒體增多,無法發揮正常功能[4-6]。

高血壓是心腦血管疾病的主要危險因素,常導致心臟、血管、大腦及腎臟等重要臟器損害,研究發現抑制線粒體過度分裂和過度融合,恢復其分裂/融合平衡,可改善高血壓所導致的心肌細胞肥大[7,8]、減輕血管內皮細胞炎癥反應[9]、抑制血管平滑肌細胞和外膜成纖維細胞增殖、遷移及表型轉換[10,11]、保護神經元和腎臟組織免受氧化應激損害[12,13]。

本文總結了線粒體融合/分裂失衡在高血壓所導致的心臟、血管、大腦及腎臟等靶器官損害中的作用,以及恢復線粒體融合/分裂平衡對治療高血壓靶器官損害的意義。

1 線粒體融合與分裂

線粒體融合是由線粒體融合蛋白1(Mitofusin1,Mfn1)、線粒體融合蛋白2(Mitofusin2,Mfn2)和視神經萎縮因子(Optic atrophy 1,Opa1)介導,其中Mfn1/2介導線粒體外膜融合,Opa1介導內膜融合[14]。位于線粒體外膜上的Mfn1和Mfn2發生結合,形成同二聚體/異二聚體,牽拉相鄰線粒體逐步增大外膜接觸面積,促使外膜融合。外膜融合結束后,位于線粒體內膜和間隙的Opa1介導其內膜和基質融合,使之融為一個新的線粒體[4]。

生理狀態下,通常兩個相鄰健康線粒體融合,可促進線粒體代謝產物及線粒體DNA(mtDNA)的共享,增強線粒體結構穩定。病理狀態下,一個健康線粒體和一個不健康線粒體融合,可以稀釋毒性超氧化物、修正受損線粒體DNA,從而實現自我修復[2-4]。

線粒體分裂是由動力相關蛋白1(Dynamin-related Protein 1,Drp1)、線粒體分裂蛋白 1(Fission Protein 1,Fis1)、線粒體裂變因子(Mitochondrial Fission Factor,Mff)和線粒體動態蛋白49/51 (Mitochondrial Dynamics Proteins 49/51,MiD49/51)介導。其中Drp1是線粒體分裂的主要效應蛋白,通過磷酸化不同位點調控其活性,其中磷酸化Ser 616位點可增強Drp1活性,促進線粒體分裂;而磷酸化Ser 637位點會降低Drp1活性,抑制其分裂[15]。線粒體分裂可分為3個步驟[14,16]:(1) 細胞質中的Drp1被 Fis1、Mff和MiD49/51招募至線粒體外膜的分裂位點;(2)Drp1形成螺旋低聚物,在GTP水解作用下逐漸收縮;(3)Drp1進一步收縮直至線粒體一分為二。生理狀態下,健康成熟線粒體可通過分裂產生新的子代線粒體,使線粒體數量增多、生產ATP也增多,以此滿足細胞能量代謝需要。病理狀態下,受損線粒體將線粒體基質和線粒體DNA不均勻地分配到兩個子代線粒體中,分裂為一個缺陷子代線粒體和一個健康子代線粒體,缺陷子代線粒體經過自噬途徑被降解,保留一個健康子代線粒體發揮功能[5,6]。見圖1。

圖1 線粒體的融合與分裂機制[17]

2 線粒體融合/分裂平衡與原發性高血壓靶器官損害的關系

2.1 心臟

心臟是人體最大的耗能器官,需要大量ATP來維持心肌的收縮和舒張,線粒體作為生產ATP的能量工廠,因此維持線粒體的分裂/融合平衡對心肌細胞正常工作至關重要。Ordog等[7]觀察到自發性高血壓大鼠(Spontaneously Hypertensive Rats,SHR)心肌組織內片狀或碎片狀線粒體增多,表現為線粒體異常過度分裂,使用聚ADP核糖聚合酶(PARP)抑制劑L2286減少細胞質中Drp1轉移至線粒體外膜的分裂位點,減少線粒體過度分裂,減輕室間隔和左心室后壁增厚,降低左心室重量,有效改善心室重構[7]。去乙酰化酶Sirtuin-1(Sirt1)能阻止腫瘤因子P53與Drp1基因的啟動子結合,直接抑制Drp1轉錄表達,從而抑制線粒體過度分裂,減少心肌細胞凋亡[18]。使用Drp1抑制劑(Mdivi1)治療高鹽誘導的高血壓心肌肥厚大鼠,發現Mdivi1能減少高血壓引起的活性氧(Ros)升高,減少心肌氧化應激損害,并抑制鈣調神經磷酸酶和Ca2+/鈣調蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ(CaMKII)的激活,減少心肌舒張期肌漿網鈣離子漏出,增強肌漿網積累鈣離子能力,從而增強心肌細胞收縮力,延緩心肌細胞肥大和心臟纖維化[19,20]。

此外,Qi等[18]和楚勇等[21]分別用血管緊張素II(AngII)誘導高血壓心肌肥厚,發現心肌組織內Drp1蛋白表達升高,Opa1和Mfn2蛋白表達減少,線粒體表現為分裂過度/融合不足。眾所周知,AngII能收縮全身小血管,增加醛固酮釋放,引起鈉水潴留,導致高血壓和心室重構的發生。近年來研究發現AngII還能通過激活ras/raf/Mek信號通路來促進心肌肥厚。而線粒體融合蛋白2(Mfn2)是ras/raf/Mek信號通路中重要的負性調控因子,使用AngII受體拮抗劑坎地沙坦酯可通過上調Mfn2表達,促進線粒體融合來抑制ras、raf和Mek的表達,有效改善心臟重構[22]。另外,Tang等[23]發現代償性心肌肥厚的SHR心肌組織內Drp1降低、Opa1表達升高,線粒體表現為更趨向于融合,而不是分裂。Shou 等[8]在高鹽誘導高血壓射血分數保留心力衰竭(HFpEF)模型中觀察到PTEN誘導激酶1(PINK1)磷酸化Drp1 的Ser616位點,增強其活性,通過促使線粒體趨于分裂,抑制其過度融合來減緩高血壓誘導的HFpEF進展,表明線粒體過度融合參與了高血壓誘導的代償性心肌肥厚和HFpEF進程。

由此可見,在高血壓誘導的心室重構中,線粒體既能表現為過度分裂,也能表現為過度融合,這種線粒體動力學差異出現的原因,目前尚不清楚;但通過抑制線粒體過度分裂或過度融合,恢復其融合/分裂平衡,能改善高血壓所導致的心室重構。

2.2 血管

血管壁分為內膜、中膜和外膜,血管壁在長期高血壓作用下啟動血管重塑[24]。

血管內膜由血管內皮細胞(Endothelial Cells,ECs)組成,血壓增高會增加血流對ECs的沖擊,長期沖擊致使ECs受損,出現炎癥及增生反應導致內膜增厚[25]。Steven等[26]和Liu 等[9]發現通過抑制Drp1表達從而減少線粒體過度分裂,能抑制ECs炎性調節因子的激活和炎性因子的釋放,并改善SHR大鼠的血管內膜增厚,這表明高血壓引起的血管內皮炎癥損害可能與線粒體過度分裂有關。

血管中膜主要是由血管平滑肌細胞(Vascular Smooth Muscle Cells,VSMCs)構成,血管側壁壓力的增高會引起血管壁的病理性牽張[27],VSMCs受到牽張力刺激時可將機械刺激信號轉化為細胞內生物信號,激活腎素-血管緊張素(RAS)系統,促使VSMCs由穩定收縮表型向分泌表型轉換,分泌出的Ang Ⅱ能刺激VSMCs增殖和遷移[28],進而啟動血管重塑。研究[10]報道Drp1 siRNA可抑制Drp1表達并顯著減弱Ang II誘導的VSMCs增殖、遷移和表型轉換。大蒜的主要活性成分二烯丙基三硫化物(DATS)抑制Drp1介導的線粒體分裂,改善Ang II誘導的血管重塑,其作用機制可能與下調Rho相關蛋白激酶1(Rock1),減少Drp1在Ser616位點磷酸化,減少Drp1激活、進而抑制線粒體過度分裂有關[10,29]。

血管外膜是一層纖維結構支撐性組織,主要效應細胞是外膜成纖維細胞(Adventitial Fibroblasts,AFs),在受到病理刺激時可分泌多種趨化因子和細胞因子,不僅誘導炎性細胞聚集,還能通過旁分泌方式作用于ECs和VSMCs,與血管內膜、中膜發生交叉作用,加速血管損害[30,31]。AFs還可分化為肌成纖維細胞(Myofibroblasts,MFs),分泌表達α-平滑肌肌動蛋白和細胞外基質蛋白,導致血管纖維化發生[30]。研究發現Ang Ⅱ不僅能刺激AFs分泌白介素-11等炎癥因子作用于ECs和VSMCs,增強血管炎癥反應[30],還能促進NLRP3炎癥小體相關蛋白NLRP3、Caspase-1和ASC共表達,誘導AFs遷移[32]。同時Ang Ⅱ還能促使AFs向MFs分化,促進血管纖維化、降低血管彈性,從而進一步使血壓升高[31]。Huang等[11]在AngⅡ誘導的血管外膜重塑的動物模型中,發現AngⅡ促進了鈣調磷酸酶(Calcineurin,CaN)的表達,CaN能使Drp1的Ser637位點去磷酸化,從而激活Drp1活性,促進線粒體分裂。使用HSP90抑制劑17-DMAG能抑制AngⅡ誘導的CaN激活,逆轉Drp1在Ser637位點的去磷酸化,進而抑制線粒體過度分裂,顯著減少AFs向MFs分化、減輕血管壁增厚和主動脈外膜纖維化。

綜上所述,抑制線粒體過度分裂有利于延緩血管重構,其作用機制主要是通過抑制Drp1表達來實現。

2.3 大腦

高血壓性腦損害主要包括兩方面,一是通過增加氧化應激反應,直接損害神經元[33];二是通過損害腦血管促使腦動脈粥樣硬化,使腦血管彈性降低、腦血流量減少、進而引發腦血管意外[34]。

大量研究報道高血壓動物模型的下丘腦室旁核(PVN)區域內可見ROS的升高和神經元的異常損害[33,35,36],Xin等[37]發現SHR大鼠腦組織內Drp1表達增高、線粒體表現為過度分裂,這提示Ros引起的氧化應激損害神經元很可能與線粒體分裂/融合失衡有關。有證據表明Ros增加可通過下調線粒體融合蛋白Mfn2和Opa1的表達導致線粒體融合不足,并通過抑制Drp1在Ser637位點的磷酸化來增強Drp1活化,使線粒體過度分裂,導致線粒體異常斷裂和功能受損并誘導神經元死亡。使用L-絲氨酸促進細胞內抗氧化劑谷胱甘肽的合成,能抑制線粒體過度分裂來保護神經元免受氧化應激損害[12,38]。此外,高血壓和顱內血流動力學異常可損傷腦血管,使彈性降低、腦血流量減少、進而引發腦白質病變甚至腦卒中發生[34]。研究報道[39]解偶聯蛋白-2(Ucp2)大量上調表達可顯著延緩SHR大鼠腦中風和腎損傷的發生。另外該研究還發現在腦中風的SHR大鼠中,使用Ucp2治療會促進Opa1和Fis1蛋白顯著上調,這兩種蛋白分別是線粒體融合和裂變的標記物,這表明Ucp2延緩腦中風發生,很可能與驅動線粒體融合和分裂有關。在腦缺血再灌注損傷模型中,敲除Ucp2基因,減少Ucp2表達會抑制腦組織內Opa1和Mfn2融合蛋白表達,并促進Ros、Drp1和Fis1升高,導致Ros聚集和線粒體過度分裂[40],恢復線粒體分裂/融合平衡可部分改善由于Ros聚集和Ca2+超載對神經元的損害[41]。在腦出血模型中,催產素[42]和脂聯素[43]可通過磷酸化Drp1的S637位點來降低Drp1活性,抑制線粒體過度分裂來減少神經元炎癥反應和神經功能損害。由此可見,維持線粒體分裂/融合平衡有助于延緩高血壓腦卒中的發生和改善卒中后的腦缺血再灌注損害。

2.4 腎臟

研究發現高血壓小鼠腎功能受損,表現為白蛋白排泄量增加、肌酐清除率下降,并伴有Ros 水平的升高,給予線粒體活性氧清除劑 mitoTEMPO治療后可一定程度減輕腎損害[44]。研究報道慢性腎臟病會引起Ros和Drp1水平的增加和Opa1表達的減少,表現為線粒體分裂增加/融合減少。硫代硫酸鈉(Na2S2O3,STS)不僅能有效清除Ros,還能恢復線粒體融合/分裂平衡和減輕腎血管性高血壓動物模型中的腎臟氧化損傷[13]。因此,由Ros誘導的高血壓性腎損害很可能與線粒體融合/分裂失衡有聯系。但目前關于線粒體融合/分裂平衡和高血壓腎損害的研究較少,二者間的關系還有待于進一步研究。

3 高血壓靶器官治療與線粒體融合/分裂平衡

3.1 藥物治療

Mdivi-1是常用的Drp1抑制劑,它通過抑制 Drp1 GTPase 活性,降低GTP水解,減少能量釋放,從而導致線粒體因能量不足而減少分裂。大量研究表明Mdivi-1在延緩和治療高血壓心臟、血管及大腦等靶器官損害方面具有重要作用。HASAN P等[19]在高鹽誘導的高血壓心肌肥厚模型大鼠中,發現Mdivi-1能減少高血壓引起的心肌氧化應激損害,并增強肌漿網Ca2+蓄積能力,增強心肌細胞收縮力,延緩心肌細胞肥大和心室重構。Liu 等[9]用Mdivi-1喂養SHR大鼠,發現SHR體內Drp1的mRNA表達水平、白細胞介素6(IL-6)和腫瘤壞死因子-α(TNF-α)等炎性因子的表達水平均下降,Mdivi-1通過減少Drp1表達來減輕SHR血管內皮細胞的炎癥反應,從而保護血管。Zhang等[45]用Ang II刺激原代培養的大鼠VMSCs來制備高血壓模型,發現Mdivi-1能抑制Ang II誘導的VMSCs胞漿內碎片狀線粒體的增多和減少增殖細胞核抗原(PCNA)、細胞周期蛋白D1(Cyclin D1)、周期素依賴性激酶1(CDK1)等細胞周期標志物的表達,使細胞周期停滯在G1/S期,從而抑制VMSCs增殖,延緩血管重構。Zhang等[46]向小鼠左側紋狀體內注射IV型膠原酶溶液來構建腦出血模型,發現Mdivi-1能增加Drp1在Ser656位點的磷酸化和減少Drp1易位至線粒體外膜分裂位點,減少線粒體分裂,并減輕腦水腫和血腦屏障破壞,改善了神經元功能缺損和突觸功能障礙。

此外,在已上市的降壓藥中,第三代高選擇性β1腎上腺素能受體拮抗劑奈比洛爾和AngII受體拮抗劑坎地沙坦酯被發現其降壓及保護心肌損害作用也與恢復線粒體融合/分裂平衡有關。在Ang II刺激H9c2心肌細胞制備高血壓心肌損害模型中,發現單用奈比洛爾或奈比洛爾聯合纈沙坦都可減少ROS生成,并恢復Ang II誘導的H9c2心肌細胞內線粒體融合相關蛋白Mfn2和Opa1的表達下降,從而恢復線粒體融合/分裂平衡來保護Ang II誘導的心肌細胞損害[47]。Wang等[22]用坎地沙坦酯治療SHR,發現SHR的血壓被很好地控制在正常范圍內,心肌細胞排列不規則及心肌纖維變粗等病理改變也被明顯改善。研究表明ras/raf/Mek信號通路的激活會引起心肌細胞肥大和心室肥厚[48],坎地沙坦酯可通過上調SHR大鼠心臟組織中Mfn2表達,進而負反饋抑制ras、raf和Mek的表達,從而部分緩解心肌肥厚[22]。

3.2 運動治療

眾所周知,運動鍛煉具有降壓和保護高血壓靶器官的作用,其作用機制與恢復線粒體融合/分裂平衡相關。我國學者胡萌[49]將SHR進行10周的游泳運動訓練,10周后發現SHR左室收縮末期壓和左室舒張末期壓顯著降低,左心室射血分數顯著升高,心功能得到明顯改善。大鼠心肌組織內Mfn1、Mfn2和Opa1的mRNA和蛋白表達水平均顯著升高,Drp1和Fis1的mRNA和蛋白表達水平均顯著降低,表明游泳運動可明顯改善SHR心肌超微結構和心功能,其作用機制與促進Mfn1/2和Opa1表達,抑制Drp1和Fis1表達進而恢復線粒體融合/分裂平衡有關[50]。18周齡SHR主動脈內Drp1蛋白表達增加,而其它線粒體動力學相關蛋白Fis1、Mfn1、Mfn2和Opa1的表達無明顯變化,游泳運動不僅降低了SHR的收縮壓,還顯著減少了主動脈內Drp1的表達和抑制了ECs內線粒體過度分裂[51]。此外,運動預處理還可通過調控自噬相關蛋白及 Mfn2和Drp1的表達來增加腦缺血再灌注后腦皮質自噬和恢復線粒體融合/分裂平衡,從而降低腦卒中風險和改善卒中后的神經元損害[52]。

4 小結與展望

線粒體融合/分裂平衡是維持線粒體結構和功能的基礎。通過調控Drp1、Fis1等線粒體分裂蛋白以及Mfn1/2、Opa1等融合蛋白來恢復其融合/分裂平衡可有效改善高血壓所導致的心臟、血管重構及神經元和腎臟損害。然而,在高血壓導致心室重構過程中,線粒體既可表現為過度融合,又可表現為過度分裂,造成這種融合/分裂差異的原因很可能與心肌損害的不同階段有關。在心肌損害早期,受損線粒體可能更傾向與健康線粒體融合來實現自我修復。隨著病情進展至終末期,線粒體喪失修復能力,通過不斷地分裂來清除受損線粒體基質和DNA。因此,深入探究心、腦、血管等靶器官損害不同階段中線粒體融合/分裂失衡的影響因素及其調控、修復機制,將可能為治療高血壓靶器官損害提供新思路。