線粒體動力學(xué)在肺動脈高壓發(fā)病機制中的研究進展

溫敬利 李甜甜 石莉程 孔輝 齊栩

線粒體是存在于真核生物細胞內(nèi)的細胞器，是細胞進行呼吸作用及產(chǎn)生能量物質(zhì)的主要場所。線粒體不僅通過氧化磷酸化產(chǎn)生三磷酸腺苷為細胞提供能量，還在細胞代謝調(diào)節(jié)、細胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)、細胞信號傳導(dǎo)、細胞凋亡等生物過程中扮演重要角色，對維持細胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)及機體生命活動具有重要意義[1]。線粒體是動態(tài)的細胞器，可以通過線粒體融合和分裂兩個相反的過程進行形態(tài)變化，線粒體不斷分裂和融合的這一現(xiàn)象，稱為線粒體動力學(xué)。線粒體動力學(xué)是維持線粒體質(zhì)量、DNA穩(wěn)定性、能量產(chǎn)生、鈣穩(wěn)態(tài)、細胞分裂和分化的重要組成部分，而線粒體融合-分裂平衡的紊亂，可能導(dǎo)致線粒體功能障礙和細胞死亡[2]。肺動脈高壓是一種由于肺小動脈重塑導(dǎo)致肺血管阻力和壓力增加而引起的肺疾病。肺動脈高壓的增殖性血管病變與腫瘤有幾個共同的線粒體異常，特別是向有氧糖酵解和線粒體分裂的轉(zhuǎn)變。當前肺動脈高壓的特異性治療方式有鈣通道阻滯劑、內(nèi)皮素受體拮抗劑、磷酸二酯酶5型抑制劑、可溶性鳥苷酸環(huán)化酶激動劑、前列環(huán)素類似物和前列環(huán)素受體激動劑[3]。它們可以改善肺動脈高壓患者血流動力學(xué)紊亂，減少住院人數(shù)，但這些藥物會引起頭痛、低血壓、消化道癥狀等不良反應(yīng)，而且這些血管擴張劑并沒有針對肺動脈高壓發(fā)病機制的關(guān)鍵特征，即沒有逆轉(zhuǎn)肺血管重塑，也沒有顯示出降低死亡率的作用[4]。因此，進一步研究肺動脈高壓的發(fā)病機制，并據(jù)此發(fā)現(xiàn)肺動脈高壓的靶向治療方式至關(guān)重要。

肺動脈高壓及發(fā)病機制

肺動脈高壓是一種特發(fā)性心肺疾病，其特征是血管細胞過度增殖和抗凋亡，以及炎癥、血栓形成和血管收縮，從而導(dǎo)致肺小動脈阻塞。血管阻塞增加了右心室的后負荷，最終導(dǎo)致右心衰竭[5]。肺動脈高壓的發(fā)病機制主要包括以下五個方面[6]：①胞漿鈣的增加：鈣離子內(nèi)流的增加和細胞器鈣攝取障礙共同導(dǎo)致了胞漿鈣的增加，這促使肺動脈高壓患者的肺動脈平滑肌細胞(pulmonary arterial smooth muscle cell，PASMC)的收縮、增殖和抗凋亡。②細胞糖代謝方式的轉(zhuǎn)換：在肺動脈高壓患者的PASMC、內(nèi)皮細胞、成纖維細胞、右心室心肌細胞中，可以發(fā)現(xiàn)糖代謝由氧化磷酸化向有氧糖酵解轉(zhuǎn)變。③線粒體動力學(xué)紊亂：在肺動脈高壓患者PASMC中，可以發(fā)現(xiàn)線粒體分裂的增加和線粒體融合的減少，這有利于PASMC的增殖。④遺傳因素：主要是骨形態(tài)發(fā)生蛋白受體-2(morphogenetic protein type-2 receptor，BMPR2)突變。BMPR2突變被認為是肺動脈高壓發(fā)生發(fā)展的前提，但仍需要額外的遺傳、表觀遺傳或環(huán)境因素才能使攜帶BMPR2突變的患者發(fā)生肺動脈高壓。⑤表觀遺傳因素：基因的表達也受到表觀遺傳學(xué)的影響，表觀遺傳學(xué)被定義為在不改變基因組DNA序列的情況下改變基因表達的機制。肺動脈高壓的表觀遺傳機制包括DNA甲基化、組蛋白修飾和微小RNA(MicroRNA)調(diào)控。近期研究表明，線粒體動力學(xué)在神經(jīng)退行性病變、2型糖尿病、肺動脈高壓和多種腫瘤的發(fā)生發(fā)展中起到重要作用[7-9]。所以，本文主要介紹線粒體動力學(xué)在肺動脈高壓發(fā)病機制中的作用，并簡要介紹有關(guān)線粒體動力學(xué)的表觀遺傳學(xué)與肺動脈高壓的關(guān)系。

線粒體動力學(xué)與線粒體質(zhì)量控制

線粒體質(zhì)量控制通過調(diào)控線粒體形態(tài)、數(shù)量和質(zhì)量的相對穩(wěn)定來維持細胞和生物體內(nèi)穩(wěn)態(tài)，是細胞內(nèi)一種重要的防御機制[10]。線粒體質(zhì)量控制主要包括線粒體生物合成、線粒體動力學(xué)、線粒體自噬三個重要過程，其中以線粒體動力學(xué)最為重要。線粒體是一種動態(tài)變化的細胞器，通過不斷分裂和融合來維持自身的動力學(xué)穩(wěn)態(tài)，線粒體融合和分裂的這一動態(tài)過程被稱為線粒體動力學(xué)。線粒體分裂與融合的動態(tài)平衡不僅可以維持線粒體的正常形態(tài)，還對線粒體DNA的遺傳完整性、細胞的能量供給、細胞增殖凋亡以及代謝的平衡具有重要意義[2]。線粒體分裂依賴于胞漿內(nèi)的動力相關(guān)蛋白1(dynamin-related protein 1，DRP1)和線粒體外膜(mitochondrial outer membrane，OMM)上的線粒體分裂蛋白1(fission 1 ，F(xiàn)IS1)、線粒體分裂因子(mitochondrial fission factor，MFF)、線粒體動力蛋白49(mitochondrial dynamics protein of 49 kDa，MID49)和線粒體動力蛋白51(mitochondrial dynamics protein of 51 kDa，MID51)。線粒體分裂能夠適應(yīng)細胞生長需要，產(chǎn)生更多的線粒體，同時也可以隔離受損后不可修復(fù)的線粒體部分，促發(fā)線粒體自噬，清除受損線粒體[11]。線粒體融合依賴于線粒體內(nèi)膜(mitochondrial inner membrane，IMM)上的視神經(jīng)萎縮蛋白1(optic atrophy 1，OPA1)和OMM上線粒體融合蛋白1(mitifusin1，MFN1)、線粒體融合蛋白2(mitifusin 2，MFN2)。線粒體融合有助于線粒體間的信號傳導(dǎo)和能量傳遞，從而保證細胞線粒體的均一性，糾正線粒體的不足和缺陷，還可以使線粒體能夠更加有效地應(yīng)對應(yīng)激時細胞能量需求的迅速增加[11]。因此，線粒體分裂和融合是細胞進行線粒體質(zhì)量控制，保證細胞能量代謝的重要手段。

線粒體動力學(xué)在肺動脈高壓發(fā)生中的作用

一、線粒體分裂與肺動脈高壓

哺乳動物細胞中調(diào)控線粒體分裂的相關(guān)蛋白主要有DRP1、FIS1、MFF、MID49和MID51。線粒體分裂是一系列蛋白精確調(diào)控的復(fù)雜的生物學(xué)過程。DRP1是線粒體分裂最重要的蛋白，它通常存在于胞漿中，但激活后移位到線粒體。在線粒體中，DRP1與位于OMM上的結(jié)合伴侶結(jié)合，這些結(jié)合伴侶包括FIS1、MFF、MID49和MID51。DRP1和它的結(jié)合伴侶形成了一種多聚體分裂裝置，這種裝置可以收縮和分裂線粒體。

DRP1最常見的翻譯后修飾是磷酸化/去磷酸化修飾，而激活或抑制DRP1活性，則取決于其磷酸化位點。DRP1 的 Ser616 位點磷酸化可增強其活性，而Ser637 位點磷酸化減弱其活性[12]。蛋白激酶A(protein kinase A，PKA)介導(dǎo)的DRP1的Ser637 位點磷酸化，促進線粒體融合。與PKA介導(dǎo)的DRP1的Ser637處的磷酸化相反，受生物鐘調(diào)節(jié)的鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶的激活，使DRP1的Ser637 位點去磷酸化[13]，從而通過促進DRP1移位到線粒體而導(dǎo)致線粒體分裂。同樣，cyclin B1/CDK1介導(dǎo)的DRP1的Ser616位點磷酸化促進了線粒體分裂[14]。此外，線粒體分裂抑制因子1(mitochondrial division inhibitor 1，Mdivi-1)與DRP1上的變構(gòu)位點結(jié)合，阻斷DRP1自組裝所需的構(gòu)象變化，從而抑制線粒體分裂[15]；干擾肽p110也可以通過阻止DRP1和FIS1之間的相互作用來抑制線粒體分裂[16]。

線粒體分裂和融合的失衡參與了與肺動脈高壓的肺血管重構(gòu)，而DRP1是PASMC增殖的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。G. Marsboom[14]等研究發(fā)現(xiàn)，缺氧誘導(dǎo)因子1α(hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α)介導(dǎo)的線粒體分裂導(dǎo)致肺動脈高壓患者的PASMC增殖增加，通過化學(xué)激活HIF-1α可誘導(dǎo)PASMC中DRP1的Ser616位點磷酸化和線粒體分裂，這說明HIF-1α刺激線粒體分裂需依賴DRP1。X. Chen[17]等研究進一步證實了這一結(jié)論。Mdivi-1通過與DRP1上的變構(gòu)位點結(jié)合抑制線粒體分裂，進一步研究發(fā)現(xiàn)，Mdivi-1的抗增殖作用歸因于誘導(dǎo)細胞周期停滯于G2/M期，這表明細胞周期的進展依賴于線粒體的分裂[14]。Mdivi-1在抑制線粒體分裂的同時，還抑制了PASMC中的糖酵解代謝[18]。V. Parra[18]等還發(fā)現(xiàn)了曲美他嗪通過抑制線粒體分裂，逆轉(zhuǎn)了肺動脈高壓的PASMC的重塑。在肺動脈高壓PASMC中同樣發(fā)現(xiàn)了ROS產(chǎn)生的增加。L. Zhang[19]等研究發(fā)現(xiàn)ROS與DRP1相互作用通過促進缺氧下PASMC的線粒體分裂和抑制PASMC的凋亡，從而導(dǎo)致肺血管重構(gòu)。此外，DRP1還參與了肺動脈內(nèi)皮細胞的促遷移、促增殖和抗凋亡過程。T. Shen[20]等研究發(fā)現(xiàn)DRP1通過線粒體Ca2+促進肺動脈內(nèi)皮細胞遷移、增殖，并抑制其凋亡，從而參與肺動脈新生血管的形成，這提示DRP1調(diào)控的線粒體動力學(xué)在肺血管重塑中的新作用。除了肺動脈平滑肌細胞及內(nèi)皮細胞外，R. Umezu[21]等研究發(fā)現(xiàn)DRP1通過促進巨噬細胞介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)促進損傷的血管內(nèi)膜增厚，巨噬細胞中的DRP1可能是血管疾病的潛在治療靶點。但是巨噬細胞中DRP1的這一作用還未在肺動脈高壓中得以證實。

胞漿DRP1是線粒體分裂最重要的調(diào)節(jié)蛋白，同時其線粒體外膜上的配體蛋白MID49、MID51、FIS1和MFF對線粒體分裂也有一定的影響。O. C. Loson[22]等研究發(fā)現(xiàn)FIS1、MFF、MID49和MID51都可以招募DRP1到線粒體外膜并促進線粒體分裂。但需要注意的是，在沒有FIS1和MFF的情況下，MIDs也能夠促進線粒體分裂。這一結(jié)果也在K. H. Chen[23]等研究中得到證實，即在肺動脈高壓患者肺動脈平滑肌細胞中，MIDs的表達增加促進了DRP1介導(dǎo)的線粒體分裂，并且促進了細胞增殖，減少了細胞凋亡。進一步研究發(fā)現(xiàn)，MIDs的上調(diào)是由于miR-34a-3p表達降低所致。沉默MIDs或增強miR-34a-3p可使野百合堿誘導(dǎo)的肺動脈高壓好轉(zhuǎn)。總之，在健康狀態(tài)下，MIDs調(diào)節(jié)DRP1介導(dǎo)線粒體分裂，而在疾病中，MIDS的表觀遺傳上調(diào)，增加了線粒體分裂，從而導(dǎo)致肺動脈平滑肌細胞病理性增殖和凋亡抵抗。MiR-34a-3p-MID通路為肺動脈高壓提供了新的治療靶點。K. H. Chen[23]等還發(fā)現(xiàn)在DRP1線粒體外膜的四種配體中，MID49和MID51調(diào)節(jié)線粒體分裂的作用是獨特的，因為沉默其他DRP1受體蛋白MFF或FIS1，不會改變PASMC增殖和線粒體分裂，這一發(fā)現(xiàn)與O. C. Loson[22]等的研究發(fā)現(xiàn)有所不同。FIS1在哺乳動物線粒體動力學(xué)中的作用已經(jīng)變得有爭議，因為近期研究發(fā)現(xiàn)FIS1還可以作為線粒體融合的抑制因子[24]而存在。此外，MFF在線粒體動力學(xué)中的具體作用還不明確，因此MFF和FIS1在線粒體分裂-融合中的作用有待進一步研究。

二、線粒體融合與肺動脈高壓

哺乳動物細胞內(nèi)調(diào)控線粒體融合的相關(guān)蛋白主要有 MFN1、MFN2和OPA1。線粒體融合是一個復(fù)雜的、進化上高度保守的過程。IMM蛋白OPA1與OMM蛋白MFN1/2相互作用，形成膜間蛋白復(fù)合物，將外膜與內(nèi)膜的融合連接起來。與線粒體分裂蛋白類似，線粒體融合蛋白的活性也可以通過翻譯后修飾來改變。MFN1/2的丟失阻止了OMM和IMM的融合，而OPA1的丟失阻止了IMM的融合，但不阻止OMM的融合[25]。

J. J. Ryan[26]等研究發(fā)現(xiàn)在肺動脈高壓中，MFN2的表達降低導(dǎo)致PASMC線粒體分裂和過度增殖。進一步研究發(fā)現(xiàn)，MFN2的轉(zhuǎn)錄輔助激活因子-過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活物1-α(peroxisome proliferator-activated receptor g coactivator 1-α，PGC1α)在肺動脈高壓PASMC中的表達也下降。而且PGC1α基因敲除會導(dǎo)致線粒體分裂，增強MFN2的表達可以逆轉(zhuǎn)PGC1α基因敲除導(dǎo)致的線粒體分裂，這說明PGC1α可以誘導(dǎo)MFN2的表達[26]。而PGC1α通常作為線粒體生物發(fā)生的主要調(diào)節(jié)因子為我們所熟知[27]，這一發(fā)現(xiàn)揭示了PGC1α在線粒體質(zhì)量控制中的新作用。因此，補充MFN2或PGC1α對肺動脈高壓有治療作用。路政[28]進一步研究了有關(guān)MFN2的肺動脈高壓的表觀遺傳學(xué)異常。在肺動脈高壓患者的肺動脈平滑肌細胞中，miR-17表達上調(diào)，而MFN2表達下調(diào)，同時，抑制miR-17的表達可以抑制肺動脈高壓患者PASMC的增殖，并且可以促進其凋亡。進一步研究發(fā)現(xiàn)，miR-17是通過靶向調(diào)控MFN2基因表達來調(diào)控肺動脈高壓患者PASMC的增殖和凋亡。因此，miR-17/MFN2調(diào)控途徑是肺動脈高壓患者PASMC過度增殖與凋亡抑制的重要調(diào)節(jié)機制，miR-17與MFN2可能是肺動脈高壓的潛在治療靶點。MFN1同樣參與了肺動脈高壓患者PASMC的增殖。C. Ma[29]等研究表明缺氧在體內(nèi)和體外都上調(diào)了PASMC中MFN1的表達，而且MFN1介導(dǎo)的PASMC線粒體穩(wěn)態(tài)和細胞增殖在低氧條件下受miR-125a的調(diào)控。這些結(jié)果為miR-125a-MFN1通路在肺動脈高壓中的防治作用提供了理論依據(jù)。此外，A. Szabo[30]等研究發(fā)現(xiàn)BGP-15通過促進OPA1的GTPase活性和自聚集來促進線粒體融合，但這一作用還未在肺動脈高壓中得到證實。

三、線粒體動力學(xué)與肺動脈高壓右心室功能障礙

心力衰竭是肺動脈高壓患者死亡的主要原因，是復(fù)雜的生化過程的結(jié)果。線粒體動力學(xué)與肺動脈高壓的右心室功能障礙關(guān)系密切。

L. Tian[31]等研究發(fā)現(xiàn)肺動脈高壓伴隨著右心室缺血，DRP1-FIS1介導(dǎo)的線粒體分裂可導(dǎo)致右心室舒張功能障礙，同時Mdivi-1和p110通過抑制線粒體分裂可以減輕缺血再灌注損傷所致的右室舒張功能障礙。L. Tian等進一步研究發(fā)現(xiàn)肺動脈高壓右心室的成纖維細胞發(fā)生線粒體動力學(xué)紊亂，即野百合堿誘導(dǎo)的肺動脈高壓大鼠右心室成纖維細胞線粒體碎裂增加，且成纖維細胞的增殖率和膠原生成增加，而這與野百合堿誘導(dǎo)的肺動脈高壓大鼠右心室成纖維細胞中DRP1蛋白表達增加和MFN2表達降低有關(guān)[32]。在體外，通過Mdivi-1和p110抑制DRP1可以減少成纖維細胞線粒體的分裂、增殖和Ⅲ型膠原的表達。這是首次描述肺動脈高壓的肺動脈高壓右心室成纖維細胞中線粒體動力學(xué)紊亂，表明Drp1是肺動脈高壓右心室中一個潛在的新的抗纖維化靶點。P. Y. Xiong[33]等研究還發(fā)現(xiàn)肺動脈高壓的右心室功能障礙和纖維化也與MID51的表達增加有關(guān)。此外，S. R. Joshi[34]等研究發(fā)現(xiàn)在肺動脈高壓患者右心室中miR-140的增加和MFN1的表達降低之間存在相關(guān)性，而且miR-140的上調(diào)和MFN1的下調(diào)與肺動脈高壓相關(guān)的右心室收縮壓升高和肥厚相關(guān)。這些結(jié)果提示miR-140和MFN1在肺動脈高壓相關(guān)性右心室功能障礙的發(fā)病機制中起一定作用。

總結(jié)與展望

肺動脈高壓的特征是肺血管重塑，從而導(dǎo)致右心室后負荷增加，進一步導(dǎo)致右心室肥厚，最終導(dǎo)致右心室衰竭而死亡。雖然現(xiàn)有的治療方式可以從舒張肺血管途徑控制肺動脈高壓的癥狀，但不能逆轉(zhuǎn)肺血管重塑，也不能降低肺動脈高壓患者的死亡率。所以迫切需要從肺動脈高壓發(fā)病機制中找到一種特異性的治療方式。近年來發(fā)現(xiàn)有關(guān)線粒體動力學(xué)的miR-34a-3p-MIDs通路、miR-125a-MFN1通路和miR-17-MFN2通路在肺動脈高壓發(fā)生中發(fā)揮重要作用。此外，Mdivi-1和p110作為DRP1的抑制劑可以減少肺動脈高壓的線粒體分裂，曲美他嗪也通過抑制線粒體分裂，對缺氧誘導(dǎo)的PASMC增殖起到抑制作用。所以，基于線粒體動力學(xué)的miRNA調(diào)控及線粒體分裂-融合相關(guān)蛋白的激活劑或抑制劑有望成為肺動脈高壓新的治療藥物。