線粒體功能損傷與胰島素抵抗

時(shí)麗麗，張 莉，譚初兵，徐為人，杜冠華

(1.天津藥物研究院天津市新藥設(shè)計(jì)與發(fā)現(xiàn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300193;2.中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院藥物研究所國(guó)家藥物篩選中心，北京 100050)

胰島素抵抗(insulin resistance，IR)是指正常濃度的胰島素生理效應(yīng)低于正常，主要表現(xiàn)為胰島素作用的靶組織(主要是肝臟、肌肉和脂肪)對(duì)胰島素作用的敏感性及反應(yīng)性降低，是導(dǎo)致肥胖、代謝綜合癥、非酒精性脂肪肝、2型糖尿病(type 2 diabetes metalles，T2DM)及其并發(fā)癥和心血管類疾病的主要因素［1－2］。近年來，研究發(fā)現(xiàn)IR與一些神經(jīng)性疾病也有著密切的關(guān)系，例如神經(jīng)退行性疾病、胎兒酒精譜系障礙等［3］。IR發(fā)病機(jī)制主要為胰島素受體前和受體后缺陷［4－5］，前者主要表現(xiàn)為胰島素與靶組織受體結(jié)合異常，包括胰島素及其受體相對(duì)不足，胰島素及其受體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變等，后者主要表現(xiàn)為胰島素信號(hào)通路傳導(dǎo)障礙等［6］。目前，越來越多的證據(jù)表明線粒體功能損傷和胰島素抵抗有著密切的關(guān)系，并認(rèn)為線粒體功能損傷是誘發(fā)IR的主要機(jī)制之一，本文將從遺傳因素、老化、ROS、線粒體生物合成等方面闡述線粒體功能損傷與IR的關(guān)系，并介紹IR治療中與線粒體相關(guān)的藥物作用機(jī)制。

1 線粒體功能損傷與IR

線粒體的主要功能是代謝體內(nèi)的糖脂類物質(zhì)，產(chǎn)生ATP和熱量，平衡機(jī)體能量的供需。線粒體功能的損傷以ATP生成量減少為主要特征，會(huì)導(dǎo)致機(jī)體內(nèi)能量供需失衡，從而誘發(fā)一系列的疾?。?］，比如IR、T2DM等。線粒體功能損傷的原因有遺傳因素和環(huán)境因素，前者包括線粒體相關(guān)的基因和信號(hào)通路發(fā)生變化，后者包括體育鍛煉、攝食、老化、氧化應(yīng)激、線粒體生物合成等。

1.1 遺傳因素與IR 線粒體內(nèi)的蛋白是由核基因(nuclear DNA，nDNA)和線粒體基因(mitochondrial DNA，mtDNA)共同控制轉(zhuǎn)錄表達(dá)的，mtDNA編碼了線粒體內(nèi)13種蛋白的表達(dá)，主要參與線粒體氧化磷酸化(oxidative phosphorylation，OXPHOS)，線粒體特異的核蛋白體以及部分tRNAs。線粒體的氧化能力取決于OXPHOS各亞基的表達(dá)水平及線粒體的數(shù)量和容量，其進(jìn)行OXPHOS產(chǎn)生ATP的同時(shí)，伴隨著氧自由基(reactive oxygen species，ROS)的生成。mtDNA無組蛋白保護(hù)，直接暴露于ROS中，極易受到ROS的攻擊而受損，引起基因突變，影響線粒體內(nèi)OXPHOS蛋白的表達(dá)及活性，損傷線粒體的呼吸功能。OXPHOS蛋白的表達(dá)量下降及原于老化或氧化應(yīng)激引起的線粒體基因突變可能是誘發(fā)IR和其它代謝類疾病的機(jī)制之一。研究表明［8－9］，在糖尿病患者的IR后代中，肌肉線粒體呼吸鏈內(nèi)的復(fù)合物活性有所下降。另外發(fā)現(xiàn)，mtDNA16189 T－ － ＞C、4216 T－ － ＞C、4917A－－＞G的突變，可以引起禁食狀態(tài)下的高胰島素水平及禁食血糖升高［10－11］;編碼 tRNA(Leu UUR)的線粒體基因 3243A－－＞G突變，引起了胰島素分泌受損［12］;14577 T－－＞C，NADH脫氫酶6上的一個(gè)基因突變，引起線粒體復(fù)合物I活性和耗氧率分別下降65%和62%［13］;UCP－1基因 －3826 A－－＞G及－112 A－－＞C的突變可導(dǎo)致機(jī)體葡萄糖耐量異常，引起 IR［14，15］;UCP2 啟動(dòng)子的多態(tài)化，減少`了胰島素的分泌量，是誘發(fā)T2DM的高風(fēng)險(xiǎn)因素。所以，不管是與nDNA或mtDNA相關(guān)的遺傳因素影響的線粒體功能損傷都可能引起胰島素抵抗及相關(guān)的代謝類疾病。

1.2 老化與IR 隨著年齡的增長(zhǎng)，老化是不可避免的一種生理現(xiàn)象。引起老化的理論基礎(chǔ)有:DNA損傷累積、線粒體功能障礙、端?？s短丟失、基因表達(dá)變化和氧化損傷等，但引發(fā)老化的精確分子機(jī)制仍不清楚。老化的機(jī)體內(nèi)，線粒體的數(shù)量減少，形態(tài)發(fā)生改變，線粒體呼吸功能下降、ATP生成能力降低、ROS生成增加［7，16］。有研究發(fā)現(xiàn)，在胰島素抵抗的老年機(jī)體內(nèi)，氧化磷酸化能力降低了40%。肝臟細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)累積是胰島素抵抗的一個(gè)重要指標(biāo)之一，也是引發(fā)非酒精性脂肪肝、非酒精性脂肪肝炎、肝硬化等的重要因素?；虮磉_(dá)研究發(fā)現(xiàn)，在老年人的機(jī)體內(nèi)脂肪酸氧化相關(guān)基因表達(dá)量下降，機(jī)體脂肪堆積，尤其是內(nèi)臟脂肪堆積嚴(yán)重，引起細(xì)胞脂毒性，引發(fā)線粒體功能損傷［17－18］。線粒體功能損傷，脂質(zhì)氧化功能降低，導(dǎo)致脂肪酸代謝物的累積，例如甘油二酯(diacylglycerol，DG)、長(zhǎng)鏈脂酰 CoA(long-chain fatty acyl-CoA，LCFA-CoA)、乙酰CoA(acetyl-CoA)等。細(xì)胞內(nèi)DG的聚集，可以變構(gòu)激活PKCs，激活的PKCs可以磷酸化胰島素受體底物-1(insulin receptor substrate-1，IRS-1)的Ser/Thr位點(diǎn)，抑制IRS-1酪氨酸磷酸化，降低了PI3K及AKT的活性，阻斷胰島素信號(hào)的傳遞，引起胰島素抵抗［19］。在PKCθ基因缺失的小鼠體內(nèi)，脂類誘導(dǎo)的胰島素抵抗被抑制［20］，此證據(jù)表明與線粒體功能損傷相關(guān)的PKC激活可能引起胰島素抵抗。另外，乙酰CoA抑制了丙酮酸脫氫酶(pyruvate dehydrogenase，PDH)的活性，降低了葡萄糖的氧化［21］。線粒體損傷后糖脂代謝能力下降，進(jìn)一步加重糖脂毒性，激活I(lǐng)KKb、Junk等炎癥通路，促進(jìn)TNF－α生成，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，加重或惡化相關(guān)病理［22－24］。機(jī)體的老化伴隨著線粒體生物功能下降，引起糖脂代謝的降低，糖脂聚集誘發(fā)糖脂毒性，糖脂毒性損傷能量代謝信號(hào)通路進(jìn)一步降低糖脂代謝活性，此可能為老年胰島素抵抗及其相關(guān)代謝類疾病的發(fā)病機(jī)制之一。

1.3 ROS與IR 線粒體是機(jī)體內(nèi)產(chǎn)生ROS的主要部位，其中大部分產(chǎn)生于線粒體復(fù)合物I(NADH-CoQ還原酶)、Ⅲ(bc1復(fù)合物)。當(dāng)有過多的電子進(jìn)入線粒體電子傳遞鏈后，電子傳遞體都達(dá)到飽和，過量的電子會(huì)傳遞給O，產(chǎn)生氧自由基，而不是ATP，即線粒體內(nèi)膜內(nèi)外質(zhì)子梯度較高且氧耗較少時(shí)，ROS的生成率最大。線粒體內(nèi)雖然存在著ROS清除機(jī)制，包括過氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、過氧化氫酶和GSH，但是過多的ROS仍然損傷了線粒體蛋白、mtDNA和線粒體膜上的脂類，從而引起了線粒體損傷，此也是老化的機(jī)制之一［25－26］。低水平的ROS和高水平的ATP是胰島β細(xì)胞分泌胰島素必需的，但線粒體功能損傷后導(dǎo)致的持續(xù)、高產(chǎn)量的ROS生成反而會(huì)減少ATP生成，損傷β細(xì)胞，抑制胰島素釋放。另外，ROS通過激活I(lǐng)KKβ，IKKβ可以磷酸化IRS-1Ser位點(diǎn)，阻止了IRS-1與胰島素受體的結(jié)合，從而阻止胰島素信號(hào)的傳遞，引起 IR［27－28］。IKKβ 還可以激活炎癥相關(guān)的因子，引發(fā)炎癥，加重IR［29］。盡管ROS激活Ser/Thr激酶的機(jī)制至今尚不明確，但利用抗氧化劑降低ROS的生成，增加UCP2/3的表達(dá)，可以改善線粒體功能和IR。體育鍛煉可以增加機(jī)體對(duì)ATP的利用，電子傳遞與ATP的生成/利用達(dá)到平衡，ROS的產(chǎn)生降低，線粒體的功能得到改善，這可能是身體鍛煉改善IR的機(jī)制之一。在MCAT鼠的線粒體內(nèi)過量表達(dá)catalase后發(fā)現(xiàn)，線粒體呼吸功能增加30%，能量代謝被促進(jìn)了7%，ATP合成明顯增加，阻止了脂毒性誘發(fā)的胰島素抵抗［30］。因此，減少線粒體內(nèi)的ROS含量，降低線粒體氧化應(yīng)激損傷，可以預(yù)防老化及一些病理因素引起的線粒體損傷，可起到預(yù)防及減輕IR作用。

1.4 線粒體生物合成與IR 在IR、肥胖和T2DM動(dòng)物模型的肌肉組織內(nèi)發(fā)現(xiàn)線粒體的數(shù)量降低，體積減小，線粒體呼吸能力減弱。線粒體呼吸能力的減弱主要是因?yàn)榫€粒體內(nèi)OXPHOS蛋白表達(dá)量的降低［31，32］，線粒體生物合成減少。線粒體的生物合成的機(jī)制之一是由氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活子1(peroxisome proliferator activated receptor gamma coactivator-1，PGC-1)家族，包括 PGC-1α、PGC-1β 和PPARC激發(fā)引起的。細(xì)胞對(duì)能量需求的情況下如細(xì)胞生長(zhǎng)、缺氧、葡萄糖缺乏或鍛煉等，PGC-1家族轉(zhuǎn)錄因子激活，增強(qiáng)線粒體重塑或/和生物合成，恢復(fù)細(xì)胞內(nèi)能量平衡。PGC-1α是在研究UCP的轉(zhuǎn)錄調(diào)控時(shí)被發(fā)現(xiàn)的，在肌肉、肝臟和和棕色脂肪組織內(nèi)大量表達(dá)，其表達(dá)量隨著機(jī)體鍛煉、寒冷或是饑餓狀態(tài)，細(xì)胞內(nèi)需要ATP量增加時(shí)進(jìn)一步增加。PGC-1α不僅調(diào)控脂質(zhì)代謝，還調(diào)控線粒體代謝酶基因的表達(dá)，促進(jìn)線粒體生物合成及再生，提高線粒體的密度，改善IR［33－35］。體外實(shí)驗(yàn)表明在 PGC-1α 高表達(dá)的肌細(xì)胞內(nèi)，mtDNA量和氧耗增加2倍，而線粒體密度增加50%［36］。轉(zhuǎn)基因動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PGC-1α過表達(dá)，大鼠肌肉組織內(nèi)OXPHOS表達(dá)量提升，棕櫚酸氧化增加，胰島素敏感性增強(qiáng)，胰島素介導(dǎo)的葡萄糖攝取增加，ROS生成降低，炎癥信號(hào)減少。肝臟內(nèi)糖原合成增加，胰島素抑制的肝糖生成減少［37－38］。PGC-1α作為核轉(zhuǎn)錄輔助因子，主要輔助核呼吸因子(nuclear respiratory factor，NRF-1/2)和 PPAR-α/γ 的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。NFR-1主要調(diào)控mtDNA的表達(dá)，包括OXPHOS相關(guān)基因和線粒體轉(zhuǎn)錄因子A(mitochondrial transcription factor，mtTfam)，其中mtTfam在調(diào)控mtDNA表達(dá)及線粒體基因組復(fù)制中起重要作用。在胰島素抵抗、T2DM患者的肌肉組織內(nèi)PGC-1α表達(dá)量明顯下降，NRF-1的表達(dá)量在糖尿病的肌肉組織內(nèi)也明顯下降［39］。另外，在胰島素抵抗的機(jī)體內(nèi)PGC-1α表達(dá)量的降低導(dǎo)致了肌肉組織內(nèi)線粒體的數(shù)量明顯減少。

調(diào)控線粒體生物合成的另一個(gè)重要的蛋白為單磷酸腺苷激活蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)。AMPK的激活劑AICAR，能通過激活A(yù)MPK，調(diào)節(jié)PGC-1α和NRFs的活性，促進(jìn)線粒體的生物合成［40－41］。另有研究發(fā)現(xiàn)，體育鍛煉可以激活A(yù)MPK，隨之PGC-1α被AMPK直接磷酸化Thr/Ser而激活，促進(jìn)線粒體的生物合成，提高線粒體的呼吸功能，改善 IR［42］。

因此，調(diào)控線粒體生物合成及再生，增加線粒體密度，促進(jìn)mtDNA轉(zhuǎn)錄及線粒體蛋白表達(dá)，提升線粒體生物功能是改善胰島素抵抗及其相關(guān)代謝類疾病的新的治療思路。

1.5 UPSs與IR 解偶聯(lián)蛋白(uncouple protein，UCP)是存在于線粒體內(nèi)膜，能消除線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子電化學(xué)梯度，致使線粒體呼吸作用中的氧化磷酸化解偶聯(lián)，抑制ATP合成，使機(jī)體產(chǎn)生的化學(xué)能以熱能形式散失，從而影響能量代謝率。UCP的生理功能主要是調(diào)節(jié)線粒體氧化磷酸化解偶聯(lián)而生理產(chǎn)熱、減少ROS的生成、負(fù)性調(diào)控胰島素釋放。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了5個(gè)亞型，分別是UCP1，在褐色脂肪組織中特異性表達(dá);UCP2，組織廣泛表達(dá);UCP3，主要在骨骼肌中表達(dá);UCP4～5，腦組織中特異性表達(dá)。UCP1主要調(diào)控機(jī)體適宜產(chǎn)熱;UCP2/UCP3與產(chǎn)熱功能基本無關(guān)，但其過量表達(dá)可降低ROS生成，增強(qiáng)機(jī)體代謝率，防止體重過度增加及預(yù)防胰島素抵抗，而其表達(dá)量低或基因突變都可導(dǎo)致肥胖，誘發(fā)IR［43］。研究發(fā)現(xiàn)，在2型糖尿病患者肌肉組織內(nèi)UCP3表達(dá)量降低了50%［44］，肌肉組織中UCP3高表達(dá)的轉(zhuǎn)移基因小鼠，可以抵抗高脂誘導(dǎo)的IR。脂毒性使胰島素信號(hào)通路中的PI3K磷酸化受阻，UCP3通過降低PKCθ的活性緩解胰島素信號(hào)通路傳導(dǎo)的障礙［45］。

在胰島β細(xì)胞內(nèi)，線粒體功能受UCPs的表達(dá)量及活性調(diào)控。β細(xì)胞內(nèi)的線粒體功能受損，ROS生成增多，損傷β細(xì)胞，抑制胰島素的釋放。UCP2可通過負(fù)反饋被激活，對(duì)OXPHOS進(jìn)行解偶聯(lián)，降低ROS的生成，從而保護(hù)過量的ROS對(duì)β細(xì)胞的損傷，但同時(shí)降低了ATP的產(chǎn)量，ATP的降低也會(huì)抑制胰島素的釋放。因此，UCP2的活性必須能緩和ROS引發(fā)的毒性，但又不至于將ATP產(chǎn)量降低到影響胰島素釋放方可，這種巧妙的平衡起到保護(hù)β細(xì)胞作用［46］。

1.6 Sirt3與IR Sirt3(sirtuin 3)是沉默信息調(diào)節(jié)因子2(Sir2)家族成員之一，定位于線粒體基質(zhì)，是一種脫乙?；福谀芰看x中起著重要的作用，被認(rèn)為是“長(zhǎng)壽基因”。Sirt3可以通過去乙酰化恢復(fù)線粒體內(nèi)一系列代謝酶的活性，例如，可以直接脫乙?；⒓せ町悪幟仕崦福?7－48］。Sirt3還可以促進(jìn)MnSOD活性，增加NAPDH水平，提升線粒體內(nèi)還原型谷胱甘肽量，降低ROS的生成［49］，阻止氧化應(yīng)激，促進(jìn)線粒體功能［50－52］。Sirt3依賴的線粒體調(diào)節(jié)器是一種抗衰老機(jī)制，在Sirt3基因敲除的小鼠體內(nèi)，小鼠老化加快，脂代謝發(fā)生紊亂，脂毒性增加［53－54］。在高脂誘導(dǎo)的小鼠體內(nèi)Sirt3活性明顯降低，線粒體功能損傷。在Sirt3基因敲除的肌細(xì)胞內(nèi)，PGC-1α促進(jìn)線粒體生物合成的效應(yīng)也隨之降低，說明Sirt3也參與了PGC-1α介導(dǎo)的線粒體生物合成功能，這可能是PGC-1α改善IR的另一作用機(jī)制［55］。還有研究發(fā)現(xiàn)，在Sirt3基因敲除的人肝細(xì)胞中AMPK的激活幅度明顯降低，表明AMPK的激活部分依賴于Sirt3的活性［56］。Sirt3對(duì)線粒體功能的恢復(fù)作用，可以調(diào)節(jié)機(jī)體的能量代謝，參與線粒體再生功能，被認(rèn)作是調(diào)控代謝類疾病的一個(gè)新的潛在靶點(diǎn)［57］。本實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)丹酚酸A具有良好的改善胰島素抵抗作用，其作用機(jī)制可能是通過調(diào)控 AMPK-PGC-1α-Sirt3軸，調(diào)控線粒體生物合成，改善線粒體功能。

營(yíng)養(yǎng)失衡和不良的生活方式引起了線粒體功能損傷相關(guān)的多種病理現(xiàn)象，基因表達(dá)改變、線粒體生物合成降低、氧化應(yīng)激增加、老化等也是引起線粒體功能損傷的基礎(chǔ)。反之，損傷的線粒體增加ROS的生成，引起了線粒體脂肪酸代謝紊亂，累積了DG、LCFA-CoA，進(jìn)一步損傷線粒體，形成了惡性循環(huán)。增加的ROS和累積的脂質(zhì)激活了部分Ser/Thr激酶和炎癥信號(hào)通路，從而抑制了胰島素信號(hào)的傳遞，引起了IR，因此，線粒體功能損傷可能是誘發(fā)胰島素抵抗的機(jī)制之一。

2 線粒體與IR的治療

噻唑烷二酮類藥物是臨床上用作改善IR最常用的藥物，此類藥物增強(qiáng)胰島素敏感性，改善肝臟、脂肪、心臟等組織器官的胰島素抵抗和胰島β細(xì)胞的功能，其發(fā)揮作用的分子機(jī)制之一可能是通過激活PPARγ，促進(jìn)線粒體生物合成，改善IR［58－60］。二甲雙胍也是臨床上用作改善IR的常用藥物，二甲雙胍可降低線粒體內(nèi)ROS的生成，激活A(yù)MPK，增加PGC-1α的表達(dá)，改善IR，其發(fā)揮作用的機(jī)制之一可能是通過 AMPK-PGC-1α/NRFs軸，促進(jìn)線粒體生物合成［61］。另外，組織內(nèi)血管緊張素Ⅱ增加可促進(jìn)NAPDH氧化酶的活性，提高ROS的生成，導(dǎo)致線粒體結(jié)構(gòu)和功能的損傷，抑制血管緊張素Ⅱ活性的藥物及血管緊張素轉(zhuǎn)化酶抑制劑可降低ROS生成，促進(jìn)線粒體生物合成，改善線粒體功能，提升胰島素敏感性［62］。在IR患者和動(dòng)物模型中，血管緊張素受體阻滯劑也可以明顯增加胰島素的敏感性，阻斷血管緊張素誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激。降低血管緊張素受體介導(dǎo)的ROS生成，改善線粒體功能及胰島素介導(dǎo)的代謝活性，可能是作用于血管緊張素系統(tǒng)類藥物發(fā)揮藥理作用的機(jī)制之一，但其詳細(xì)分子機(jī)制尚不明確，有待進(jìn)一步探討。

ROS產(chǎn)生的增加引起了線粒體功能損傷，反之，功能損傷的線粒體又產(chǎn)生更多的ROS和脂代謝副產(chǎn)物，LCFA-CoA和DG，長(zhǎng)期形成了惡性循環(huán)。用抗氧化劑干擾此惡性循環(huán)可能是較有效的治療措施。α-硫辛酸(α-lipoic acid)可以有效地降低血糖，增加大鼠骨骼肌GLUT4的含量，同時(shí)可以對(duì)抗ROS引起的胰島素信號(hào)通路的抑制作用［63－64］。Tempol，作為一種抗氧化劑，可改善心血管系統(tǒng)功能障礙，使血管緊張素Ⅱ引發(fā)的胰島素抵抗正常化，改善線粒體結(jié)構(gòu)形態(tài)，增強(qiáng)線粒體功能。由此而知，以促進(jìn)線粒體生物合成和降低線粒體氧化應(yīng)激，減少ROS生成為作用靶標(biāo)的藥物可通過改善線粒體功能而有利于胰島素抵抗的治療。

3 結(jié)語

調(diào)控線粒體生物合成、提高線粒體功能的機(jī)制雖然還沒有完全清楚，有待進(jìn)一步研究，但是，線粒體功能損傷有可能在代謝類疾病和心血管類疾病的發(fā)病中起著重要的作用。線粒體數(shù)量的降低和功能的損傷可能是IR的發(fā)病機(jī)制之一，因此調(diào)節(jié)線粒體功能和和生物合成可能成為潛在的治療IR及其相關(guān)疾病的新策略。

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