內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體相互作用在糖尿病心肌病中的作用

鐘禎 張霄旦 李萬根

廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院 510260

糖尿病是一種全身性代謝性疾病，可引起顯著的器官功能障礙，導(dǎo)致各類糖尿病急、慢性并發(fā)癥的發(fā)生，最終可導(dǎo)致患者死亡。2013年中國成人糖尿病患病率為10.9%，糖尿病前期患病率為35.7%[1]?？梢娢覈悄虿〉膰谰蝿莶蝗輼酚^。糖尿病是慢性心功能不全的高危因素，在糖尿病相關(guān)性死亡事件中，心血管相關(guān)性的死亡比例高達65%[2]。糖尿病心肌病(DCM)是常見的糖尿病心血管并發(fā)癥，是糖尿病的一種獨立并發(fā)癥，1972年被Rubler等[3]首次發(fā)現(xiàn)并報道。目前對于DCM發(fā)病機制的研究涉及糖、脂代謝、能量代謝紊亂、氧化應(yīng)激、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、線粒體結(jié)構(gòu)功能異常、Ca2+轉(zhuǎn)運、自噬、炎性反應(yīng)等各個方面。

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是細胞內(nèi)最大的膜性細胞器，它可通過膜性接觸與其他膜性細胞器相互作用。線粒體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)在細胞生命調(diào)節(jié)過程中關(guān)系密切，研究發(fā)現(xiàn)，線粒體外膜與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜通過線粒體結(jié)合內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜(MAM)緊密接觸。在應(yīng)激情況下，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體可通過MAM相互傳遞危險信號，加強細胞器之間信號傳遞，觸發(fā)多樣的協(xié)同應(yīng)答[4]。Marchi等[4]研究發(fā)現(xiàn)，2型糖尿病患者胰島β細胞中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體之間的相互作用減弱，提示內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體之間相互作用的改變可能會影響糖尿病的發(fā)生、發(fā)展。而近期對DCM的進一步研究表明，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體間相互作用的改變也存在于DCM的病理生理過程中。這可能會成為未來DCM研究的新熱點。本文擬對內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-線粒體的相互作用及其在DCM中的作用及其機制作一綜述。

1 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-線粒體相互作用的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

20世紀90年代初，Vance[5]通過生物化學(xué)技術(shù)在大鼠肝臟線粒體中分離得到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體相互耦聯(lián)的膜片段，并將其命名為MAM。此后，電子顯微鏡和活細胞熒光顯微鏡的聯(lián)合應(yīng)用揭示了MAM的顯微結(jié)構(gòu)[6]。電子顯微鏡下顯示，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體之間的耦聯(lián)總長度中，滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)為10 nm，粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)為25 nm[7]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體的完全分離需通過蛋白水解作用，這是因為在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體的相互耦聯(lián)中存在一個長度小于5 nm的合成連接子，該蛋白質(zhì)參與的物理連接使兩個細胞器之間的聯(lián)系更加緊密[7]。研究發(fā)現(xiàn)，MAM中存在大量蛋白信號分子的募集，大約有幾十種蛋白分子以蛋白復(fù)合物的形式結(jié)合在MAM上，MAM通過這些蛋白復(fù)合物的相互作用對細胞的各項生命活動進行調(diào)節(jié)。

2 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-線粒體相互作用參與DCM發(fā)生的相關(guān)機制

2.1 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(ERS) 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是細胞內(nèi)重要的細胞器之一，與蛋白質(zhì)合成與運輸密切相關(guān)。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的蛋白折疊對蛋白質(zhì)合成率、鈣平衡、氧化應(yīng)激等各種刺激因素敏感。這些刺激因素的變化可能影響蛋白質(zhì)折疊，并導(dǎo)致錯誤折疊的蛋白質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中堆積，這種蛋白質(zhì)折疊的平衡失調(diào)被稱為ERS[8]。ERS貫穿了DCM的發(fā)生、發(fā)展過程。研究發(fā)現(xiàn)，當發(fā)生DCM時，ERS的相關(guān)通路被激活，正常情況下，定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的糖調(diào)節(jié)蛋白78(GRP78)與蛋白激酶R樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶(PERK)、肌醇需求激酶-1(IRE-1)、活化轉(zhuǎn)錄因子-6(ATF-6)緊密結(jié)合形成無活性復(fù)合體。而在ERS時，大量未折疊或者錯誤折疊的蛋白在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中堆積，與GRP78結(jié)合，啟動未折疊蛋白反應(yīng)(UPR)，導(dǎo)致這3種跨膜蛋白從復(fù)合物中解離并激活各自下游的信號通路。UPR的啟動旨在清除錯誤折疊的蛋白，減少未折疊蛋白與錯誤折疊的蛋白在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的聚集，從而減輕過剩的蛋白質(zhì)負荷。但在病理情況下，ERS可持續(xù)存在，持續(xù)激活的UPR將通過影響線粒體功能，介導(dǎo)凋亡相關(guān)基因表達的上調(diào)，最終可導(dǎo)致細胞凋亡。心肌細胞為不可再生細胞，ERS引起心肌細胞凋亡，將加速心肌病變的進程。

線粒體融合蛋白-2(Mfn-2)是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-線粒體相互作用的重要參與者之一。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)表面的Mfn-2與線粒體外膜上的線粒體融合蛋白-1(Mfn-1)或Mfn-2形成異型或同型復(fù)合物，富集于MAMs上，作為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體連接的橋梁。近期研究表明，下調(diào)Mfn-2的表達將誘導(dǎo)ERS，活化UPR。Mfn-2基因沉默細胞在ERS下，UPR的3個分支(PERK、IRE-1和ATF-6)均過度活化。正常情況下，Mfn-2與PERK相結(jié)合，處于穩(wěn)定非活化狀態(tài)。在離體細胞中將Mfn-2基因沉默，PERK與Mfn-2解離并持續(xù)活化，誘導(dǎo)ERS。研究表明，Mfn-2作為PERK的上游調(diào)節(jié)劑對細胞ERS發(fā)揮調(diào)節(jié)作用[9]。Gao等[10]通過對糖尿病大鼠左心室組織蛋白及mRNA水平的檢測發(fā)現(xiàn)，糖尿病大鼠左心室組織中的Mfn-2、超氧化物歧化酶表達量下降，丙二醛、caspase-3表達量較正常大鼠升高。根據(jù)以上的研究結(jié)果推測，高糖環(huán)境下心肌細胞Mfn-2表達水平的下調(diào)，可能導(dǎo)致PERK的解離及持續(xù)活化，啟動UPR，誘發(fā)ERS的發(fā)生。而持續(xù)ERS的存在，將加速心肌細胞的損傷，最終可能促使DCM的發(fā)生與發(fā)展。在這個過程中，連接內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體的橋梁蛋白可能有助于減輕細胞損傷，但具體的分子機制尚不明確。

2.2 缺氧 高糖環(huán)境下心肌細胞缺氧及由此所導(dǎo)致的活性氧簇升高被認為是DCM最主要的始動因素[11]。心肌細胞中富含的線粒體是活性氧簇的重要來源，也是活性氧簇介導(dǎo)氧化應(yīng)激信號通路的下游標靶。在缺氧環(huán)境下，存在于細胞線粒體外膜上的線粒體自噬受體FUNDC1，可以與自噬相關(guān)蛋白LC3相互作用，介導(dǎo)缺氧誘導(dǎo)的線粒體自噬[12]。最新的研究進一步揭示，缺氧條件下FUNDC1可與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜蛋白鈣黏蛋白結(jié)合，聚集于MAM上。但當缺氧刺激持續(xù)存在時，F(xiàn)UNDC1與Calnexin的相互作用松散解離，暴露的FUNDC1與動力相關(guān)蛋白1相互作用，將動力相關(guān)蛋白1招募至MAM上，誘導(dǎo)線粒體分裂，分裂的線粒體釋放活性氧簇，將持續(xù)介導(dǎo)缺氧應(yīng)激[13]。

Yang等[11]通過對鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的1型糖尿病大鼠進行超聲心動圖評估，建立DCM模型。他們發(fā)現(xiàn)，糖尿病大鼠心肌細胞中的ERS及線粒體凋亡相關(guān)蛋白表達量升高，而外源性的硫化氫可以通過抑制MAM上Mfn-2的表達來減少活性氧簇介導(dǎo)的心肌細胞凋亡。Verfaillie等[14]研究表明，細胞內(nèi)活性氧簇的增加可誘導(dǎo)ERS，PERK作為ERS傳感器在MAM上大量表達。而敲除PERK基因后，細胞表現(xiàn)出不穩(wěn)定的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)形態(tài)，線粒體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)耦聯(lián)松散，失去原有的緊密連接狀態(tài)?；钚匝醮卣T導(dǎo)ERS時，PERK增加活性氧簇在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體之間的轉(zhuǎn)運，維持CHOP高水平激活，從而促進細胞凋亡。另一項研究也發(fā)現(xiàn)，DCM大鼠心肌細胞凋亡與細胞內(nèi)活性氧簇密切相關(guān)。提取DCM模型中心肌細胞的MAMs亞細胞片段，可檢測到PERK蛋白在其中的富集，并發(fā)現(xiàn)其參與了活性氧簇介導(dǎo)的心肌細胞凋亡[15-16]。提示內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-線粒體相互作用中的相關(guān)蛋白參與調(diào)控高糖環(huán)境下活性氧簇介導(dǎo)的心肌細胞凋亡。

2.3 Ca2+調(diào)節(jié)紊亂 Ca2+是細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中重要的第二信使，也是心肌興奮-收縮耦聯(lián)中重要的調(diào)節(jié)因子，調(diào)控細胞多項重要的生命活動。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)作為細胞中最大的Ca2+儲藏庫，對維持細胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)意義重大。心肌細胞Ca2+平衡失調(diào)，將導(dǎo)致心肌收縮功能障礙和心肌電生理傳導(dǎo)異常，加速心肌損傷。目前的研究已表明，DCM的發(fā)生、發(fā)展與細胞內(nèi)Ca2+通道異常密切相關(guān)。高糖環(huán)境下，心肌細胞內(nèi)Ca2+含量升高，增多的Ca2+轉(zhuǎn)運到線粒體，使得線粒體內(nèi)鈣超載，活性氧簇生成增加，導(dǎo)致線粒體功能障礙，進而引起細胞凋亡[16]。早期Rizzuto等[17]通過熒光顯微鏡觀察到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體耦聯(lián)結(jié)構(gòu)之間存在局域性的高Ca2+區(qū)域。當內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的三磷酸肌醇受體被打開時，與分子伴侶GRP75、線粒體電壓依賴性陰離子通道蛋白(VDAC)結(jié)合形成復(fù)合物，介導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放的Ca2+向線粒體內(nèi)流動，使線粒體內(nèi)Ca2+濃度升高[18]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體之間也可以通過Ryanodine受體和VDAC通路實現(xiàn)Ca2+交換。研究表明，心肌細胞中VDAC2與Ryanodine受體的耦聯(lián)在Ca2+由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)向線粒體的轉(zhuǎn)運過程中是必不可少的，而內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體之間的MAM為維持內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-線粒體間高鈣濃度提供了一個穩(wěn)固的平臺，使得線粒體能更加高效的攝取Ca2+[19]。

2.4 其他 高糖環(huán)境中細胞內(nèi)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體相互的耦聯(lián)作用減弱，與體內(nèi)胰島素抵抗也關(guān)系密切，胰島素抵抗能引起心肌能量代謝障礙。Theurey等[20]發(fā)現(xiàn)，葡萄糖通過戊糖磷酸蛋白磷酸酶2A途徑降低了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體間的相互作用，引起線粒體分裂及呼吸鏈受損。胰島素抵抗模型小鼠的肝細胞中MAM的完整性被破壞，提示MAM在肝能量轉(zhuǎn)換進程中參與線粒體功能的調(diào)節(jié)，MAM的慢性破壞是導(dǎo)致胰島素抵抗相關(guān)的線粒體損傷的原因之一。

綜上所述，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體之間的信號傳遞參與并影響了細胞的多種生命活動，現(xiàn)有的許多研究也提示兩者之間的相互作用可能在DCM的發(fā)生、發(fā)展中起重要作用。MAM上聚集著數(shù)十種蛋白分子，其中涉及的信號通路和分子機制十分復(fù)雜，仍有待進一步研究。此外，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體之間亦存在不依賴MAM的相互作用，其生物學(xué)特性和相關(guān)調(diào)控機制仍需進一步研究，以解讀其在DCM中的作用，并為治療DCM的靶向藥物開發(fā)及相關(guān)臨床研究奠定科研基礎(chǔ)。未來相關(guān)機制的揭示將有望為DCM的預(yù)防及治療帶來新的靶點。