線粒體功能及其與急性腎損傷和糖尿病腎病的關系

關毅鳴 王麗妍 劉文虎

急性腎損傷(acute kidney injury, AKI)以短時間內血肌酐升高和尿量減少為主要診斷標準。據統計，全球每年有1330萬人被診斷為AKI，其中170萬患者最終死亡[1]。而對于存活的AKI患者，甚至臨床上腎功能已經恢復的良性病程者，也有相當高的比例會進展為慢性腎臟病，并最終發展至終末期腎臟病，需要依賴腎臟替代治療存活，給家庭和社會造成極大的負擔。糖尿病腎病(diabetic nephropathy, DN)是糖尿病嚴重的微血管并發癥，是導致終末期腎臟病的主要原因，也是糖尿病患者的主要死亡原因之一。傳統觀念認為DN是一種非免疫性疾病，治療主要集中在嚴格控制血糖、血壓、血脂，抑制腎素-血管緊張素-醛固酮系統改善患者血流動力學、降尿蛋白和處理并發癥方面，然而上述治療并不能有效延緩腎功能進展。

近年來研究發現，線粒體損傷參與AKI和DN的發生或發展過程。線粒體不僅是真核細胞能量的主要來源，還參與多種細胞功能的調節。腎臟作為一個需要高能量的器官，包含大量線粒體。在腎臟的超微結構中，近端腎小管上皮細胞只能依賴有氧代謝供能，因而與具有無氧酵解能力的遠端腎小管比較，其線粒體處于氧化活躍狀態，對損傷更為敏感。作為一種雙層膜結構的細胞器，線粒體不斷進行著分裂和融合，其動態平衡會影響線粒體的功能，從而影響腎臟疾病的發生與發展。

一、線粒體功能

1.ATP的產生:腎臟中的所有細胞都需要ATP來維持功能，但ATP的產生機制依賴于細胞種類。在腎臟皮質中，近端腎小管ATP的產生依賴于氧化磷酸化，從而完成葡萄糖、離子及營養物質的轉運。而腎小球細胞(足細胞、內皮細胞和系膜細胞)則具有較低的氧化能力，因為其功能是濾過，即除去血液中的小分子物質，保留大分子蛋白質。這種被動過程不直接依賴ATP，因此腎小球細胞有能力進行有氧和無氧呼吸。

非酯化脂肪酸的β氧化作用是近端腎小管產生ATP的主要途徑。脂肪酸首先通過轉運蛋白被近端腎小管攝取，或在細胞質中合成。隨后在線粒體基質中通過β氧化作用分解為能量。雖然β氧化作用是最有效的產能機制，但由于近端小管耗氧量高，比其他細胞更易受到含氧量變化的影響。含氧量下降會導致β氧化作用受損，ATP產量減少。分解代謝和合成代謝營養傳感通路的平衡可以調節細胞中脂肪酸的濃度，并對線粒體能量代謝產生不利影響。例如，在急性腎損傷和糖尿病腎病中，脂肪酸的積累會減少β氧化作用或增加細胞內脂滴的形成，進而導致ATP生成減少。

2.抗氧化防御系統:線粒體通過電子傳遞鏈(electron transport chain, ETC)產生ATP。當線粒體處于穩態時，電子通過ETC向氧分子傳遞的過程中，復合物Ⅰ和復合物Ⅲ生成低濃度的ROS。低濃度的ROS對細胞功能至關重要，但高濃度的ROS對線粒體和細胞具有毒性作用，它可以引起細胞色素C的釋放導致細胞凋亡。因此，線粒體具有抗氧化防御系統，以抑制過多活性氧的產生,其重要性在于維持ATP的最佳產量和線粒體功能。

解偶聯蛋白是一類位于線粒體內膜的轉運蛋白，是抗氧化防御系統的重要組成部分。它們將質子通過線粒體內膜轉運至線粒體基質。線粒體解偶聯蛋白2(uncoupling protein, UCP2)在腎臟表達，可由線粒體ROS或其他刺激因素激活。活化的UCP2以熱能的形式消散質子的動力，最終減少ROS的產生。由于ROS參與AKI和DN的病理過程，因此關于UCP2在腎病領域的相關研究已廣泛開展[2]。例如對于UCP2基因多態性的一項研究表明，UCP2是DN患者的潛在治療靶點，而在AKI小鼠中發現，缺乏UCP2會加重腎小管損傷[2，3]。

二、線粒體穩態

1.線粒體生物合成:線粒體生物合成是指細胞產生新的、有功能的線粒體，以增加ATP產量，從而滿足細胞不斷增長的能量需求。線粒體的生物合成受一系列轉錄共激活因子和共抑制因子的調控。一項研究表明，在腎臟轉錄水平，過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔助活化因子1α(PPARγ coactivator-1α, PGC-1α)是三羧酸循環、氧化磷酸化和脂肪酸代謝的主要調節因子。對正常飲食或高脂飲食的野生型小鼠和PGC-1α敲除(NiPKO)小鼠的腎臟進行了基因表達譜分析。發現在兩組NiPKO小鼠中，與氧化磷酸化、三羧酸循環和糖酵解相關的基因轉錄減少，提示腎臟中PGC-1α失活可減弱線粒體功能和新陳代謝，減少線粒體生物合成。而在體外實驗中，過表達PGC-1α可以減輕由氧化劑引起的線粒體功能障礙，表明PGC-1α在調節線粒體生物合成、維持線粒體穩態中起重要作用。

一般來說，如果細胞需要更多能量，PGC-1α可被脫乙酰化作用激活，而當能量水平很高時，PGC-1α則被乙酰化作用滅活。在骨骼肌和心臟中，運動和胰島素可以刺激PGC-1α的表達增加，而在肝臟中，禁食可以增加PGC-1α的表達[4]。在棕色脂肪組織和肌肉細胞中，寒冷刺激可激活PGC-1α。由于PGC-1α的激活或抑制受外部刺激和轉錄后修飾的調節，故認為它是腎臟的營養傳感器。目前關于腎病中PGC-1α調節過程的研究，主要集中在DN、腎臟缺血再灌注損傷、膿毒癥及順鉑所致AKI等方面。

2.線粒體動力學:線粒體處于不斷分裂和融合的狀態，二者的動態平衡是維持線粒體穩態所必需的條件。當編碼分裂、融合相關蛋白的基因出現缺失時會導致人類疾病的發生。研究表明，細胞的氧化磷酸化隨線粒體融合而增加，隨線粒體分裂而減少。這正如神經退行性疾病所表現的那樣，過度融合和過度分裂都與疾病狀態有關。然而，體內某些細胞并不符合這一規律，如成年心肌細胞和衰老細胞。心肌細胞中的線粒體成碎片狀，但保持氧化能力；而衰老細胞中的線粒體呈拉長形態，這是融合活躍的特征，處于拉長狀態的衰老細胞的能量供應能力下降。

線粒體融合包括兩步，先是外膜融合，隨后內膜融合。動力蛋白超家族的線粒體融合蛋白1(mitochondrial fusion protein, MFN1)、MFN2和視神經萎縮蛋白1(optic atrophy protein, OPA1)是參與線粒體融合的關鍵分子。融合使得線粒體在生理條件下被拉長，有助于維持氧化磷酸化。線粒體外膜通過MFN1和MFN2的二聚作用而被拴緊。外膜融合可由氧化應激等外部刺激激活，內膜融合可以通過改變OPA1蛋白水解裂解位點來調控。

線粒體分裂對于從網絡中分離受損的線粒體是必要的。去極化或不平衡的線粒體將通過自噬被清除。然而，在DN和AKI等疾病中出現的過度分裂，對維持線粒體穩態是有害的。體外研究表明，營養過剩或氧化應激會刺激細胞線粒體分裂。線粒體膜電位丟失后，動力相關蛋白1(dynamic related protein, DRP1)從胞質轉移到線粒體外膜，介導線粒體分裂。DRP1可以與幾種不同的受體結合，如線粒體分裂蛋白1、線粒體動力蛋白MID49和MID51以及位于線粒體外膜的線粒體分裂因子(mitochondrial fission factor, MFF)。DRP1與受體結合后在線粒體外膜上聚集，介導線粒體的分裂，其活性可以通過翻譯后修飾來調控，如磷酸化、泛素化和類泛素化[5]。

3.線粒體自噬:線粒體自噬是指選擇性地從細胞中去除受損的和無功能的線粒體，受到多種信號通路的調控。目前較為公認的途徑有線粒體膜蛋白磷酸酶和張力蛋白同源物誘導激酶1(PTEN-induced putative kinase 1, PINK1)/細胞溶質E3泛素連接酶Parkin通路、Bcl-2/腺病毒E1B19000結合蛋白(Bcl-2 and adenovirus E1B19000 interacting protein, BNIP3)/線粒體外膜類NIP3蛋白(NIP3-like protein X, NIX)通路。此外，還有線粒體外膜蛋白FUNDC1、NIX等與以上途徑相互協調，共同調控線粒體自噬過程。

PINK1/Parkin是哺乳動物中公認的介導線粒體自噬的途徑。PINK1是一種位于細胞質中的線粒體靶向激酶；Parkin是細胞溶質泛素連接酶。在生理條件下，PINK1在線粒體膜上表達較少，在外膜轉運蛋白作用下進入線粒體內，錨定在線粒體內膜上，而后被基質內水解酶降解。在病理條件下，由于線粒體發生去極化改變，PINK1無法被轉運至線粒體內，故而聚集在線粒體外膜上，發生自磷酸化而活化。活化的PINK1招募并活化Parkin，促進其向線粒體移位，啟動線粒體自噬[6，7]。

BNIP3/NIX通路在調節線粒體自噬過程中也發揮重要作用。BNIP3和NIX都是促凋亡蛋白，通過磷酸化自身結構域來啟動線粒體自噬[8]。在缺氧條件下，BNIP3/NIX通過改變線粒體膜電位來維持線粒體功能。有研究結果顯示，BNIP3抑制PINK1裂解，從而促進線粒體自噬的發生。

三、線粒體與腎臟疾病

1.急性腎損傷：大量研究結果證明，線粒體功能障礙是AKI的啟動因素和促進因素。在病理學方面，可觀察到近端腎小管上皮細胞線粒體的腫脹和分裂。在分子生物學方面，腎臟ATP產生減少，ROS生成增加，細胞色素C的釋放均提示線粒體損傷在其中的重要作用[9]。在包括膿毒癥在內的許多AKI動物模型中均可觀察到近端腎小管細胞線粒體呼吸蛋白的丟失和線粒體功能障礙[10，11]。此外，在損傷過程中，ETC蛋白的持續丟失可能延緩AKI腎功能的恢復。在缺血腎臟中，許多因素會破壞脂肪酸的氧化和轉運。例如，NAD+等輔助性因子是脂肪酸氧化所必需的，但ETC功能失調會導致NAD+生成障礙。最終引起脂肪酸在細胞質中的堆積，使得線粒體ATP生成減少[12]。在AKI小鼠模型中，PGC-1α的表達被持續抑制，PGC-1α可以調控線粒體蛋白的轉錄，因此AKI時這些線粒體蛋白表達下降。在膿毒癥AKI的動物模型中，PGC-1α敲除后血清肌酐、尿素氮水平較對照組顯著升高[4]。相反，在近端腎小管過表達PGC-1α能夠減輕腎臟損傷。總之，這些研究結果表明PGC-1α在AKI腎功能恢復過程中起到重要作用。

線粒體動力學的改變是導致線粒體能量障礙的因素。在腎損傷早期，DRP1易位至線粒體外膜，DRP1的激活促進線粒體破碎和凋亡[13,14]。在AKI中觀察到線粒體嵴結構的喪失，造成線粒體膜電位下降，ATP生成減少[9]。給予AKI腎臟DRP1抑制劑mdivi-1后，線粒體分裂被抑制，腎損傷減輕。近年來研究發現去乙酰化酶sirtuin3(Sirt3)在AKI中起重要作用。Sirt3是線粒體特有的蛋白去乙酰化酶，在維持線粒體正常結構和功能中發揮著積極作用。在順鉑刺激腎小管上皮細胞的實驗中發現，過表達Sirt3減少了DRP1從胞質向線粒體外膜的移位，從而減輕了線粒體分裂，提示AKI時Sirt3對線粒體動力學發揮調節作用。在順鉑誘導的AKI小鼠模型中，Sirt3的缺失加重了腎臟損傷，提示Sirt3在腎功能恢復中發揮重要作用[15]。

2.糖尿病腎病:高血糖是導致DN發生的主要因素。高血糖會通過TCA循環增加還原型輔酶Ⅰ(nicotinamide adenine dinucleotide, NADH)和黃素腺嘌呤二核苷酸遞氫體(flavine adenine dinucleotide, FADH2)的生成，給ETC提供能量。ETC釋放的ROS會破壞線粒體DNA，阻礙線粒體蛋白的生成。早期研究認為，高血糖狀態是通過刺激超極化線粒體的生成而導致線粒體功能障礙，這種線粒體產生更多ATP，并從復合物Ⅰ和Ⅲ中釋放出比正常線粒體更高水平的超氧化物。然而，服用維生素E和維生素A等抗氧化劑并不能降低糖尿病患者并發癥的發生，這表明線粒體ROS可能不是DN線粒體功能障礙的主要因素。高血糖還會增加晚期糖基化終產物的生成，增加蛋白激酶C和己糖胺通路的活性，從而導致線粒體功能障礙。這3種機制對人體都會產生不良影響，包括纖維化、血栓形成、氧化損傷及全身血管系統和血液流動的異常[16]。

盡管引起糖尿病線粒體動力學變化的機制尚不清楚，但在糖尿病早期，近端小管中已觀察到線粒體碎片化。線粒體分裂使線粒體膜電位下降，減少ATP生成，促進凋亡發生[17]。有研究結果表明，RHO相關蛋白激酶1(RHO-associated protein kinase 1, ROCK1)信號在激活DN的線粒體分裂中發揮作用。ROCK1促進DRP1向線粒體易位，并通過磷酸化DRP1促進線粒體分裂。在鏈脲霉素誘導的DN小鼠中，缺失ROCK1可以防止線粒體分裂，減少ROS生成，恢復腎臟正常功能[18]。

在糖尿病大鼠的腎臟中觀察到PGC-1α的表達下降。在腎臟系膜細胞中過表達PGC-1α可以減弱高糖引起的病理生理學改變。研究顯示，在糖尿病大鼠腎臟中，DRP1向線粒體外膜的易位減弱，線粒體碎片化表現增強，線粒體生物合成減少[19]。高糖刺激足細胞后，PGC-1α的基因和蛋白水平均減少，提示線粒體生物合成減少[20]。這些研究結果提示以線粒體生物合成和動力學之間的平衡為目標可能是DN的潛在治療方向。

四、展 望

線粒體功能及穩態平衡主要調控生成ATP的細胞網絡，這些網絡的破壞可導致線粒體功能障礙和器官損傷。線粒體動力學的平衡保證了線粒體的功能和分布，使其能夠適應不同的代謝需求。盡管對線粒體分裂、融合、生物合成及線粒體自噬已經有所了解，但這些過程在腎臟疾病中的確切作用仍有待于進一步研究。目前研究發現，在AKI和DN中存在明顯的線粒體功能障礙，持續的功能障礙可能會導致腎功能的持續惡化，從而發展為慢性腎臟病。因此，修復線粒體功能障礙可能具有逆轉細胞損傷、保護腎臟功能的作用。在心血管、神經病學和腫瘤學領域，一些針對線粒體的藥物已經出現，而在腎臟領域研究進度相對落后。未來，更多研究應以線粒體穩態為目標尋找治療靶點，研究基于線粒體的新的治療方法，從而改善腎臟疾病的預后。