線粒體功能障礙與糖尿病腎病相關信號通路關系研究進展

陳保江，胡存靜，欒仲秋

糖尿病腎病（diabetic kidney disease，DKD）是糖尿病患者死亡的主要原因，也是終末期腎臟病（end stage renal disease，ESRD）的主要原因。國際糖尿病聯盟統計數據顯示，2017年全球約有4.25億糖尿病患者，占全世界人口的3.30%；在我國，糖尿病患者數量占總人數的11.2%；在美國，約54%的1型糖尿病患者最終將接受腎臟替代療法［1］。DKD的發病機制復雜，主要包括腎臟血流動力學改變、氧化應激、炎癥反應、缺氧和腎素-血管緊張素-醛固酮系統（renin-angiotensin-aldosteron system，RAAS）過度激活等。線粒體是儲存能量及為細胞提供能量的場所，具有多種重要的生理功能，是機體活性氧的重要來源［2］，故線粒體功能障礙對腎臟病的發生具有至關重要的作用［3］。本文主要綜述了線粒體功能障礙與DKD相關信號通路關系的研究進展，以期為延緩DKD病情進展提供新的治療靶點及策略。

1 NOX信號通路

1.1 NOX信號通路參與DKD的發生 近年單個NOX亞型在DKD發病機制中的作用取得了重大進展［4］。生理條件下，大多數NOX不具有或僅具有非常低的組織活性，但其在轉錄或翻譯過程中的活性可能升高，此外在高血壓和糖尿病等疾病狀態下NOX酶可能被激活［5］。而NOX活性升高會導致氧化應激增強，最終導致組織損傷［6］。迄今為止，在各種組織中已鑒定出7種已知的NOX亞型，分別為NOX1、NOX2、NOX3、NOX4、NOX5、雙氧化酶（dual oxidase，DUOX）1、DUOX2［7］，其中NOX4在腎臟中分布較豐富，被認為是腎臟特有的NOX亞型，但近期研究發現其還存在于非腎臟細胞（包括破骨細胞、神經元、成纖維細胞、血管平滑肌細胞、心肌細胞和內皮細胞）中［8］。目前，因為缺乏可靠的抗NOX4抗體，雖然NOX4已被證實與區室或細胞器的細胞內膜有關［9］，但NOX4的亞細胞定位仍存在爭議。人類NOX5是Ca2+在睪丸、淋巴組織及血管、腎臟細胞中的依賴性同系物，可見NOX對基本生物反應至關重要。高糖環境下，腎臟活性氧增加；同時，葡萄糖又會促進腎小管上皮細胞鈉-葡萄糖協同轉運蛋白表達，使其對葡萄糖的重吸收增加，增多的葡萄糖又會轉化為更多果糖，從而導致尿酸增加，刺激NOX釋放大量活性氧，加重腎組織損傷，形成惡性循環［10］。因此，NOX在DKD進展中具有重要作用。

1.2 NOX信號通路與線粒體功能障礙的關系 NOX與線粒體之間的“串擾”已被作為組織氧化還原信號傳導的正前饋機制。研究表明，過氧化氫可激活NOX2或p22phox，進而產生成纖維細胞和平滑肌細胞；非耦合內皮一氧化氮合酶可以產生氧氣，進而促進線粒體產生活性氧，而NOX來源的活性氧又可增加線粒體的活性氧，進而刺激NOX活化［11］。上述這種正前饋機制可以靶向抑制與氧化應激相關的病理性血管生成，進而改善多余血管生成情況。YANG等［12］研究表明，轉化生長因子（transforming growth factor，TGF）-β通過促進NOX表達而影響線粒體功能，進而產生大量活性氧，表明NOX在線粒體損傷過程中發揮著關鍵的調節作用。

2 BNIP3/NIX信號通路

2.1 BNIP3/NIX信號通路參與DKD的發生 研究發現，在DKD患者腎臟中有線粒體自噬小體聚集，提示DKD的發病可能受到線粒體自噬的影響［13］。YAO等［14］研究發現，BNIP3/NIX信號通路可以調節線粒體自噬，從而有效減少線粒體斷裂，降低線粒體膜電位，抑制線粒體超氧化物和活性氧的過度產生及高糖誘導的腎小球系膜細胞中纖連蛋白、膠原蛋白Ⅳ、細胞間黏附分子的表達，從而達到防治DKD的目的。

2.2 BNIP3/NIX信號通路與線粒體功能障礙的關系 近年研究表明，線粒體可促進DKD的發生發展，而BNIP3是與線粒體功能密切相關的Bcl-3蛋白家族成員［15］。缺氧環境下，BNIP3被激活，其主要作為細胞死亡調節劑而影響細胞死亡途徑，包括細胞凋亡、壞死性細胞死亡、自噬及其特殊形式線粒體自噬；此外，BNIP3還可調控不同的代謝途徑，如脂質代謝、糖酵解和線粒體生物能量學［16］。FIELD等［17］研究表明，當細胞處于缺血和缺氧狀態時，BNIP3在線粒體外膜呈高表達。研究發現，一種新的脂毒性觸發的信號級聯反應依賴BNIP3進行調節，其可導致腎上腺素信號敏感度降低，而腎上腺素信號傳導可以促進環磷酸腺苷生成，進而激活PRKA/蛋白激酶A（protein kinase A，PKA），從而抑制BNIP3功能并恢復胰島素信號傳導［15］。

NIX是一種線粒體外膜的功能蛋白，其與原始吞噬細胞中微管相關蛋白輕鏈3（microtubule-associated protein light chain 3，LC3）相關分子相互作用后可誘導線粒體自噬、清除受損的線粒體。

綜上，BNIP3和NIX均是缺氧誘導基因，可以編碼分子適配器，通過與新生吞噬細胞中加工的LC3相關分子相互作用而促進線粒體自噬。

3 TGF-β1/Smads信號通路

3.1 TGF-β1/Smads信號通路參與DKD的發生 腎臟纖維化是DKD的典型特征，TGF-β1/Smad信號通路是腎臟纖維化的關鍵信號通路，其中TGF-β1是介導腎臟纖維化的關鍵因子，Smads蛋白是TGF-β1信號通路下游的主要效應分子，TGF-β1通過誘導Smads活化而介導腎臟纖維化，磷酸化Smad2和Smad3與Smad4結合形成Smad復合物，導致miRNA-21表達上調及腎臟纖維化進展［18］。值得注意的是，miRNA-21可以抑制Smad7表達，正常情況下可以作為TGF-β1/Smad3信號通路的負調節因子。Smad2可以抑制Smad3與TGF-βⅠ型受體結合及阻斷Smad3核易位，進而預防腎臟纖維化，如高血壓腎病和腎小球疾病（包括IgA腎病、局灶性節段性腎小球硬化、狼瘡性腎炎、新月體腎小球腎炎）等。動物實驗表明，血液循環中TGF-β1水平升高的轉基因小鼠在無任何額外損傷的情況下發生了腎小球硬化及腎小管間質纖維化［19］。因此，通過調控TGF-β1/Smads信號通路可有效減輕腎臟纖維化，從而降低DKD發病風險。

3.2 TGF-β1/Smads信號通路與線粒體功能障礙的關系 研究表明，TGF-β1可以通過激活Smad信號通路而發揮其生物學功能［20］。TGF-β1是TGF-β家族成員中最豐富的亞型，其可由所有類型的腎臟細胞和浸潤的炎性細胞所分泌。Smad轉錄因子位于TGF-β信號通路的中心［21］。TGF-β1/Smads通過向線粒體傳遞信號而控制炎癥反應，若線粒體功能發生障礙則TGF-β1/Smads信號通路傳導受阻，炎癥調控失調，進而導致腎臟細胞損傷。因此，定向阻止TGF-β1/Smads信號通路向線粒體傳遞信號可能成為延緩腎臟組織炎癥及腎臟纖維化的治療方案。

4 過氧化物酶體增殖物激活受體γ 輔激活子1 α（peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator 1α，PGC-1α）信號通路

4.1 PGC-1α信號通路參與DKD的發生 關于PGC-1α在DKD中作用的研究較多。LIU等［22］研究表明，PGC-1α激活劑在1型糖尿病和2型糖尿病患者中均具有腎臟保護作用。FONTECHA-BARRIUSO等［23］研究表明，丙酮酸激酶M2活化和Rap2B GTP酶可通過促進PGC-1α表達而逆轉鏈脲佐菌素誘導的1型糖尿病小鼠的線粒體功能障礙。動物實驗表明，在采用SIRT1誘導劑和厚樸酚處理的BTBR ob/ob小鼠的腎小球中可觀察到PGC-1α對線粒體穩態具有維持作用［24］；足細胞特異性過表達TUG1不僅可改善線粒體生物能量，還可促進PGC-1α及其靶基因的表達［25］。在高糖環境下，PGC-1α過表達在腎小管細胞中具有保護作用。SIRT1激動劑（如白藜蘆醇）通過促進PGC-1α表達可預防高葡萄糖介導的線粒體損傷并減輕氧化應激［26］，但PGC-1α過表達會導致腎小球塌陷。CKD與腎臟纖維化有關，而TGF-β1是腎臟纖維化的關鍵驅動因素，其可下調PGC-1α表達，導致脂質積累和脂肪酸氧化［27］。研究表明，與非糖尿病患者相比，糖尿病患者腎臟PGC-1α表達能力減弱，提示PGC-1α或許是DKD發病的一個關鍵因素［28］。因此，上調糖尿病大鼠腎臟細胞中PGC-1α表達可減少腎小球系膜的肥大增生。另有研究報道，過表達PGC-1α能改善DKD表型［29］。上述數據支持PGC-1α可通過改善腎臟病患者的線粒體功能而發揮腎臟保護作用。

4.2 PGC-1α信號通路與線粒體功能障礙的關系 線粒體通過氧化磷酸化合成ATP，從而為細胞提供能量，而PGC-1α是促進線粒體生物發生、增強其呼吸能力和氧化磷酸化的激活因子［30］。線粒體生物發生是一個復雜過程，涉及線粒體內外膜的合成、線粒體編碼蛋白質的合成和導入及線粒體DNA的復制，而上述復雜過程需要核基因組和線粒體基因組協調完成。PGC-1α可能與其他核因子相互作用，從而調節線粒體內外細胞能量代謝的多種途徑，如參與線粒體脂肪酸氧化、脂肪生成、產熱和葡萄糖代謝，進而在心臟、骨骼肌、腦和腎臟等高代謝需求的器官中發揮重要作用。因此，PGC-1α已成為糖尿病等代謝性疾病的研究熱點［31］。

5 Notch信號通路

5.1 Notch信號通路參與DKD的發生 Notch1是Notch信號通路的膜受體，其在腎臟胚胎發育過程中的細胞分化環節起重要作用，但在腎臟成熟后其作用開始減弱［32］。研究表明，在高糖環境下，Notch1在足細胞中被重新激活后其功能失調，進而通過誘導上皮細胞-間充質轉化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）而使細胞凋亡、自噬及足細胞數量減少，進而使炎癥反應減弱［33］。因此，Notch的異常表達與DKD相關。研究表明，在DKD腎活檢標本中及db/db2型DKD模型小鼠中Notch信號通路被激活，而激活的Notch信號通路又可促進糖尿病蛋白尿的發生［34］。

5.2 Notch信號通路與線粒體功能障礙的關系 研究表明，在DKD進展過程中，腎功能降低、腎小球硬化程度與Notch表達水平相關［35］；在轉基因小鼠中caspase信號通路能被Notch1信號激活，進而誘導足細胞凋亡，導致腎小球系膜增生、孔隙擴大、蛋白尿形成，最終引起腎間質纖維化等，而腎間質纖維化又可引起腎實質細胞損傷、腎小管上皮細胞再生能力喪失、間質毛細血管完整性受損，進而導致組織缺氧、加重組織損傷和纖維化［36］。Drp1/Dmlp、Fis1等蛋白均可參與線粒體外膜分裂，其中Drp1是Dynamin超家族成員，研究表明，在細胞凋亡早期Drp1會從胞質轉移到線粒體并呈點狀聚集，其早于caspase活化；而抑制Drp1表達不僅可以抑制線粒體分裂，還可以減慢或抑制capase活化，繼而引起細胞凋亡［37］。綜上，線粒體功能障礙會導致Drp1轉移受阻，抑制caspase信號通路激活，進而影響細胞凋亡。

6 小結

腎臟是人體耗氧量第二位的器官，持續高血糖會通過多種途徑造成線粒體功能障礙，導致腎臟能量供應不足，進而導致其無法發揮正常的生理功能。近年來，DKD的臨床治療已取得較大進展，但仍無明確的靶向治療藥物或精準的臨床治療手段。本文通過分析線粒體功能障礙與DKD的關系發現，線粒體與DKD發病過程中的信號通路有關，包括NOX信號通路、BNIP3/NIX信號通路、TGF-β1/Smads信號通路、PGC-1α信號通路、Notch信號通路，這為防治DKD提供了新的思路及治療靶點，即通過干預相關信號通路減緩線粒體功能障礙或可減輕/預防DKD的發生，但具體措施仍有待進一步探究。

作者貢獻：陳保江進行文章的構思與設計、可行性分析及文獻/資料收集，撰寫、修訂論文；胡存靜進行文獻/資料整理；欒仲秋負責文章的質量控制及審校，并對文章整體負責、監督管理。

本文無利益沖突。