PiC基因與人體疾病機制研究

郭金蓮　徐煒棉　盧均坤

摘 要：線粒體功能的改變，直接導致人體多種病變，影響線粒體功能的原因有很多種，其中線粒體磷酸轉載體（PiC）作為線粒體內膜的膜蛋白，對線粒體通透性轉換孔（MPTP）的開放起到至關重要的作用，因此通過不斷的研究與發現，PiC基因的表達與多種疾病的發生發展有關，現就PiC基因與人體疾病機制的研究進展情況予以綜述。

關鍵詞：PiC；MPTP；線粒體

中圖分類號：R542.2 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2018.22.008

文章編號：1006-1959（2018）22-0023-03

Research Progress of PiC Gene and Human Disease Mechanism

GUO Jin-lian1，XU Wei-mian1，LU Jun-kun2

（1.Jiamusi University，Jiamusi 154000， Heilongjiang，China；

2.Department of Cardiology，Subject Two，the First Affiliated Hospital of Jiamusi University， Jiamusi 154000，Heilongjiang，China）

Abstract：Mitochondria function changes directly lead to a variety of diseases in the human body. There are many factors that affect Mitochondria function. Among them， the Mitochondria Phosphoric acid carrier vector （PiC） is the membrane protein of the Mitochondria intima. It plays a vital role in the opening of the Mitochondria permeability transition pore （MPTP）. So through constant research and discovery， PiC gene expression is related to the occurrence and development of various diseases. This paper summarizes the research progress of PiC gene and human disease mechanism.

Key words：PiC；MPTP；Mitochondria

線粒體是細胞物質與能量代謝的重要場所，人體多種疾病的發生發展都與線粒體功能的改變密切相關。近年來，隨著分子生物技術進展水平的不斷提高，線粒體磷酸轉載體（PiC）基因表達上調，線粒體通透性轉換孔（MPTP）的持續開放與氧化應激水平的關系，是導致呼吸衰竭、心肌病、心力衰竭等人體多種疾病的危險因素。

1 PiC基因與線粒體的關系

PiC功能首先是在其對SH-試劑的高度敏感性的基礎上確定的[1]。PiC轉運蛋白同質純化是從心臟、肝臟及酵母分離的。研究發現PiC是線粒體通透性轉換孔的主要成分之一[2]，PiC可能是MPTP的組成中鈣誘導的孔道構象改變的關鍵組成部分，Pi結合到PiC具有激活線粒體孔道開放的能力，這說明線粒體MPTP被Pi激活。研究對比發現Pi比砷酸鹽更能激活MPTP的開放，Pi更具有結合Ca的能力[3]，在缺乏PiC時Pi不能通過線粒體促進Ca聚集，即使有少量的20%～30%PiC也足夠使MPTP開放。

由于線粒體需要維持其內部環境的穩態，所以內部膜的離子和底物的流動需要保持能量及物質平衡。在線粒體電子鏈傳遞中，由呼吸驅動質子泵排出的質子數量需要通過F1F0-ATP酶保持平衡。磷酸鹽通過PiC運送到線粒體基質中，磷酸鹽與OH-進行交換，磷酸鹽的進入和OH-的流出是沿著H+梯度進行的，因此沒有凈電荷（電子）的產生[4]。Pi通過PiC轉運影響pH梯度通過內膜與H+有效的協同轉運，用于基本的氧化磷酸化。

2 PiC基因與MPTP的關系

人們早就知道Ca2+和氧化劑誘導下無機磷酸鹽對MPTP通道敏感，推測MPTP擁有Pi結合位點。研究發現，MPTP在缺乏PiC基因表達產物時表現為通透功能受限，在PiC與CyP-D、ANT重新組合后便可重新發揮MPTP的通透轉運功能，這說明PiC才是線粒體MPTP的必要組成部分[5]。MPTP的分子機制目前尚不明確，關于MPTP孔的組成有兩種假設，親環蛋白D和ADP作為調節器，CypD可以增強MPTP Ca2+的敏感性[6]，通過基因敲除大鼠的研究發現PiC不是MPTP孔的必須構成，但具有調節功能。也有研究發現[7] MPTP開放不依賴于線粒體Ca2+ 但與線粒體總的Ca2+負荷有關，Ca-Pi復合物的累積可能是轉換孔激活開關。

超過60%的線粒體蛋白質包含乙酰化位點，大部分都參與其中能量代謝[8]，在線粒體上至少有一個抑制蛋白質乙酰化作用點。因此，乙酰化線粒體蛋白酶可以抑制線粒體代謝和ATP合成。在缺血再灌注的心肌細胞中，高鈣水平及過多活性氧誘導線粒體通透性增強，線粒體內膜MPTP開放，盡管復雜的MPTP分子結構還沒完全明確，但在缺少PiC的 MPTP傾向于開放狀態。

高水平的ROS在MPTP開放中起到重要作用[9]，MPTP的開放是多種事件引起的，包括心肌再灌注損傷在內的各種形式的細胞和組織的損傷，導致細胞凋亡及壞死。MPTP在心肌組織中抑制線粒體開放，可以減輕低氧狀態下的細胞死亡[10]。Leung AW等證明[11]，PiC是MPTP的必要的組成部分而不是ANT。此外，高濃度的鈣就能獨立引發PiC。這些數據可以解釋為什么在VDAC或ANT消融時預防mPTP的形成是失敗的，而在CypD缺陷線粒體，MPTP誘導需要更高水平的鈣，并不是完全被環孢素A治療所阻斷。

3 PiC基因與心臟病發生機制之間的關系

線粒體提供細胞能量的90%，是細胞內ROS的主要來源，同時影響細胞凋亡的啟動與過程。研究表明，心肌細胞損傷及凋亡時，PiC基因表達上調[12]，最近的一項研究發現糖尿病患者心臟線粒體MPTP開放顯著增加[13]，同時，體內研究顯示在糖尿病心肌梗死后心肌缺血的面積增加。有證據顯示[14] n-乙基馬來亞酰胺、輔酶Q10能抑制MPTP開放，也是PiC抑制劑，通過阻斷Pi吸收限制Ca2+對低于該水平攝取，降低MPTP開放閾值，但很難說MPTP抑制是由于降低Pi比Ca2+攝取發揮更大作用。

MPTP在病理狀態下的作用，以及藥物治療靶點在相關疾病的發生中，發揮重要生理作用。在心血管領域，心肌再灌注損傷中MPTP是研究的重點，MPTP是在缺氧時不同途徑共同靶點的始動因素。尤其是缺血再灌注后的細胞內環境似乎最適合MPTP開放，特別是因為胞內Ca2+升高伴隨著ROS積累。另一方面，MPTP的開放導致離體內皮細胞和血管平滑肌細胞死亡，表明MPTP在動脈粥樣硬化中發揮作用。

氧化磷酸化的缺陷經常引發線粒體能量代謝紊亂，發生率約1/7600[15]。研究發現[16]來自同一家庭的兩個患者存在PiC缺陷，分別患有心臟疾病及肌肉疾病，第一個早期死于肥厚型心肌病心力衰竭，第二個早期出現肌張力減退、呼吸窘迫，最后也發展為肥厚型心肌病，因心力衰竭死亡。研究發現[17]，糖尿病患者心臟內的miR-141過度表達與PiC蛋白含量的降低有關，而在糖尿病纖維間線粒體心臟只有ATP合酶活性降低。

4 PiC基因與Bcl-2家族蛋白的關系

Bcl-2是最早發現通過抑制細胞死亡促進腫瘤擴展的原癌基因[18]，不適當的細胞凋亡可以促進癌癥和阻礙癌癥的治療。在動物模型中如心肌缺血及腦缺血，過表達Bcl-2抑制凋亡減少梗死面積[19]。研究表明[20]，Bcl-2家族蛋白在線粒體上主要通過改變線粒體內膜的通透性及調節Ca2+濃度，阻止細胞色素C釋放，發揮調節MPTP孔道開放的作用。研究表明Bcl-2家族成員調控細胞凋亡，調節線粒體膜的滲透性和通過降低MPTP開放的易感性來保護心肌[21，22]。

在一些研究中顯示線粒體外膜的通透性提高，也可能由于急性內膜去極化引發[22]，Ca2+超載降低ATP酶活性減少能量產生，Ca2+超載可以產生解耦合的過程，從以往研究看，線粒體內膜的滲透率迅速增加，從而溶質和ATP的生產停止[23]。研究發現Bcl-2蛋白家族通過直接與ATP酶結合調節線粒體外膜的通透性，抑制突觸的產生和細胞死亡[24]， Bcl-2蛋白家族形成蛋白復合體，調節MPTP和細胞死亡。例如ANT，在Bcl-2家族的促凋亡前蛋白一系列復雜的路徑中，由氧自由基途徑引起細胞死亡[25]。

在心肌缺血狀態下，隨著Bcl-2的消耗和功能抑制，對Ca敏感的MPTP在高鈣環境下開放增加，導致心臟損傷，因此，Bcl-2含量下降，在缺血再灌注早期細胞質鈣正常化后受MPTP開放的影響線粒體受損[21]。Bcl-2家族也有非凋亡的作用，包括線粒體呼吸和線粒體分裂等[26]。抗凋亡蛋白主要分布在線粒體，與靜態相比在線粒體中抗凋亡蛋白和抑制前抗凋亡蛋白，觀察到Bcl-XL能改變從線粒體外膜到細胞質中與線粒體相關的BAX。Bcl-2蛋白的定位可以通過上游因子進行修飾，例如在人類胚胎干細胞中，BAX被限制在高爾基上，直到接受DNA損傷信號才釋放，BAX可以被Bcl-XL限制在細胞質中。

5 總結

目前有關MPTP研究有限，針對PiC基因的研究更是寥寥無幾，而MPTP孔道的結構與功能不僅與細胞凋亡有關，更與人體疾病的發生發展關系密切，因此對MPTP孔道的研究具有重要的科研及臨床價值。由此可見，作為線粒體MPTP孔道重要組成部分的PiC則具有關鍵性的作用，但基于目前對PiC基因及其表達產物了解過少，許多相關問題仍需解決，因此針對PiC基因及其表達產物與Bcl-2家族蛋白及線粒體MPTP孔道之間關系的研究有著重要的研究價值。

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收稿日期：2018-9-5；修回日期：2018-9-25

編輯/雷華