線粒體質量控制在2型糖尿病發生發展及治療中的作用研究進展

陳奕任，陶人川，梁韜

1 廣西醫科大學口腔醫學院，南寧530021；2 廣西醫科大學附屬口腔醫院；3 廣西壯族自治區衛生健康委員會口腔感染性疾病防治重點實驗室

2 型糖尿病（T2DM）是一種復雜的代謝性疾病，初期表現為胰島素抵抗（IR），進而發展為β 細胞的結構受損及胰島素分泌不足，引起機體內糖脂代謝紊亂，并繼發其他臟器損害。研究表明，線粒體功能障礙與糖尿病的發生發展密切相關，是導致IR 和β細胞功能失調的潛在因素。線粒體在細胞能量代謝中起著核心作用，是胰島素分泌的主要調節器，負責脂肪酸的氧化磷酸化（OXPHOS）和β-氧化，對糖類、脂肪代謝以及三磷酸腺苷的合成至關重要。線粒體質量控制的具體機制包括線粒體生物合成、線粒體動力學、線粒體自噬。線粒體質量控制通過不斷融合/分裂改變其形狀及大小、生物合成新生線粒體補充線粒體池和自噬將包裹受損的線粒體傳遞至溶酶體進行清除，維持相對穩定的線粒體數量和質量的動態過程，是保證線粒體健康和維持線粒體穩態的重要機制。線粒體質量控制的受損，將導致線粒體功能障礙，誘發β 細胞功能紊亂甚至死亡［1］。糖尿病患者除了線粒體功能障礙外，在線粒體自噬、動力學和生物合成方面也存在缺陷，即線粒體質量控制失調。現將線粒體質量控制在T2DM 發生發展及治療中的作用研究進展綜述如下。

1 線粒體生物合成在T2DM 發生發展及治療中的作用

1.1 線粒體生物合成的調控機制 線粒體生物合成是一個調控線粒體新生的生物學過程，通過利用線粒體DNA、核編碼基因產生新的線粒體，包括線粒體DNA 轉錄和復制、核基因編碼蛋白、脂質合成和轉入以及新的線粒體生成。目前研究認為，線粒體生物合成依賴轉錄因子和共激活因子的相互作用，包括過氧化物酶增殖物激活受體γ 共激活因子1α（PGC-1α）、5'-腺 苷 單 磷 酸 激 活 蛋 白 激 酶（AMPK）、核呼吸因子1/2（NRF1/2）及線粒體轉錄因子A（TFAM）。

1.2 線粒體生物合成在T2DM 發生發展中的作用 線粒體生物合成功能失調與糖尿病的發生發展有關。在T2DM 患者和動物模型中，PGC-1α mRNA和蛋白表達顯著降低，通過基因芯片技術發現，T2DM 患者PGC-1α 下游基因表達降低［2］。此外，衰老老鼠PGC-1α 表達降低，導致肝臟的葡萄糖不耐受，外周胰島素抵抗，從而發生T2DM［3］。沉默信息調節劑2 相關酶1/3（SIRT1/3）是PGC-1α 上游的調控因子，可調節體內線粒體生物合成。研究發現，T2DM 患 者的SIRT1/3 表達降低［4-5］。動 物實驗表明，與正常小鼠相比，敲除SIRT1的缺陷小鼠ATP 減少，對高脂飲食誘導的IR 表現出更高的易感性，并且胰島β 細胞合成和（或）分泌胰島素能力下降，提示線粒體生物合成失調可誘發T2DM［6］。AMPK 是一種關鍵的酶蛋白，可控制生物體內合成代謝的轉換。已有研究表明，在糖尿病患者和糖尿病動物模型中AMPK 活性受損。在糖尿病動物模型中，刺激AMPK 表達可增加細胞內NAD+水平，增強SIRT1 活性，激活PGC-1α 表達，誘導線粒體基因上調，改善線粒體生物合成功能，降低血糖［7］。以上研究表明，線粒體生物合成受損導致的線粒體質量下降與T2DM發生發展有關。

1.3 線粒體生物合成在T2DM 治療中的作用 線粒體生物合成可以保證線粒體的內平衡，增強其抗氧化能力。鈉—葡萄糖協同轉運蛋白2（SGLT2）抑制劑作為抗高血糖藥物，通過增加尿葡萄糖排泄從而降低高血糖。研究顯示，恩格列凈、卡格列凈可以上調脂肪細胞中的AMPK/SIRT1/PGC-1α 信號和下游轉錄因子TFAM、NRF2 表達，增加線粒體生物合成，誘導小鼠白色脂肪細胞轉化棕色脂肪細胞，減輕其體質量［8-9］。AMPK信號通路是控制糖尿病的一個靶標途徑，激活和調節AMPK 的藥物是治療糖尿病的潛在藥物。桑葉提取物桑葉黃酮可增加db/db 小鼠AMPK磷酸化和PGC-1α表達，上調NRF1，增強線粒體生物合成，改善胰島素抵抗［10］。原花青素是從鳶尾中提取的主要活性物質，在脂肪細胞中可通過激活SIRT1/PGC-1α 信號通道，上調NRF1 和TFAM表達，減輕線粒體DNA 損傷，增強線粒體生物合成，減少脂肪生成，改善血糖、血脂和體質量［11］。因此，通過調控線粒體生物合成恢復線粒體功能可能成為治療T2DM的新方向。

2 線粒體動力學在T2DM發生發展及治療中的作用

2.1 線粒體動力學的調控機制 線粒體通過持續不斷的融合和裂變以維持線粒體網絡的穩定，滿足細胞的功能需求，稱為線粒體動力學。線粒體分裂可分為Drp1 轉位到線粒體外膜、高階組裝、GTP 水解、最終分解四個步驟，受四種GTPase 調控，即動力蛋白相關蛋白1（Drp1）、分裂蛋白1（FIS1）、線粒體分裂因子（MFF）及線粒體動力蛋白49/51（MID49/51）［12］。線粒體融合是2 個或多 個線粒體部分整合成長絲狀線粒體的過程，分為束縛、外膜融合和內膜融合三個步驟，受三種GTPases 蛋白介導，即線粒體融合蛋白1/2（Mfn1/2）和視神經萎縮相關蛋白1（OPA1）。

2.2 線粒體動力學在T2DM發生發展中的作用 在血糖控制不佳的T2DM患者的白細胞中發現，線粒體融合減少，分裂增加，形態呈碎片化，持續的線粒體斷裂導致線粒體融合/分裂失衡，使葡萄糖刺激的胰島素分泌（GSIS）受損，并且導致細胞死亡［13-14］。高血糖下Drp1、MID51 過表達使胰島細胞的線粒體處于促裂變狀態，線粒體網絡呈不均勻性，導致ROS產生增加，膜電位下降，GSIS顯著降低，加劇細胞凋亡，導致惡性循環［15-16］。在OPA1 敲除的小鼠胰島細胞中，發現線粒體碎裂，嵴結構異常，線粒體呼吸鏈復合物Ⅳ活性降低，耗氧量減少，ATP 產生缺陷，造成GSIS降低［17］。這些研究表明，線粒體動力學與糖尿病之間存在密切關系，線粒體融合/裂變失衡可以直接影響線粒體功能，破壞β細胞功能，誘發糖尿病。

2.3 線粒體動力學在T2DM 治療中的作用 保障線粒體形態質量和豐度以維持線粒體正常功能，是線粒體質量控制的核心。17β-雌二醇是主要雌激素活性形式，不僅能夠促進線粒體的生物合成，還可通過增加胰島β 細胞中Mfn1/2表達水平，降低FIS1表達水平，調節線粒體裂變/融合平衡，從而增加胰島β 細胞中葡萄糖轉運蛋白2（GLUT2）含量和促進胰島素分泌，達到治療糖尿病的作用［18］。恩格列凈通過增加Mfn1表達，減少JC-1單體，增加JC-1聚集體，形成具有高膜電位細長和高度相接的線粒體，同時增加線粒體呼吸鏈復合物的的活性，達到改善線粒體質量，滿足脂肪褐變過程中能量需求的目的［9］。原花青素能夠改善線粒體生物合成功能，同時降低脂肪細胞中Drp1 表達，上調Mfn1/2 表達，從而改善線粒體功能障礙，增加葡萄糖攝取，改善外周胰島素抵抗［11］。葛根素能夠提高T2DM 小鼠胰腺組織的線粒體融合因子Mfn1、OPA1 蛋白表達，促進線粒體融合，改善胰腺組織線粒體質量和病理損傷，起到抗糖尿病作用［19］。以上研究表明，維持線粒體裂變/融合平衡可延緩T2DM的發生發展。

3 線粒體自噬在T2DM發生發展及治療中的作用

3.1 線粒體自噬的調控機制 線粒體自噬是指一種經溶酶體降解受損的細胞器以控制線粒體質量與數量來維持細胞穩態的細胞內過程。哺乳動物線粒體自噬有三大經典通路：PINK1/Parkin、BNIP3/NIX和FUNDC1，其中PINK1/Parkin 途徑是研究線粒體自噬中最常見的通路。在正常生理活動下，PINK1通過線粒體靶向序列持續進入內膜，被基質加工肽酶（MPP）以及早老素相關菱形樣蛋白（PARL）體降解［20］。當 線 粒 體 損 傷 時，MPP 和PARL 被 抑 制，PINK1 的切割減少，外膜轉位酶（TOM）誘導PINK1在外膜上積累。隨后PINK1 磷酸化絲氨酸65（Ser65）上的泛素，進一步募集Parkin。活化后的Parkin 將外膜底物泛素化，適配器蛋白（如p62/SQSTM1、NBR1、NDP52/CALCOCO2、TAX1BP1 和OPTN）識別線粒體泛素化底物，并通過與微管相關蛋白1 輕鏈3（MAP1LC3）結合，誘導自噬體形成降解去極化的線粒體［21］。哺乳動物細胞中BNIP3 與PINK1 相互作用，促進PINK1 在外模上積累，誘導Parkin 募集，促進PINK1/Parkin介導的線粒體自噬；相反，BNIP3 的失活增加PINK1 蛋白水解加工，抑制PINK1/Parkin介導的線粒體自噬［22］。

3.2 線粒體自噬在T2DM 發生發展的作用 線粒體自噬可以消除老化和損傷的線粒體，對于控制線粒體質量有重要意義。已有研究發現，T2DM 患者的骨骼肌PINK1的轉錄受到抑制，此外，糖尿病動物模型的心肌細胞發現PINK1 和Parkin 蛋白表達下調，導致線粒體自噬異常，線粒體質量控制失衡［23］。在高脂高糖飲食誘導的肥胖小鼠中，脂肪組織PINK1 和Parkin 蛋白表達增加，自噬標志物LC3B 表達上調，進而改善線粒體質量，抑制肥胖的加重［24］。敲除大鼠胰島β 細胞PARK2 基因后，線粒體自噬功能失調，細胞內破碎線粒體增多，導致β細胞內活性氧產生增加和ATP 水平降低，影響胰島素合成和分泌，降低血糖的能力下降［25］。因此認為，Parkin 在維持胰腺細胞線粒體形態的完整性和胰島素的分泌方面具有重要作用。另有研究表明，敲除FUNDC1 基因的小鼠表現為線粒體自噬缺陷，線粒體質量受損，加重了高脂飲食誘導的肥胖和胰島素抵抗［26］。特異性敲除小鼠骨骼肌FUNDC1基因導致LC3介導的線粒體自噬缺陷，使肌肉脂肪利用率和耐力下降；但是FUNDC1 缺乏引起肌肉逆行反應，上調成纖維細胞生長因子21 表達，促進脂肪組織的產熱重塑，改善全身胰島素敏感性和葡萄糖耐量，從而抵抗高脂飲食誘導的肥胖［27］。總之，線粒體自噬在系統代謝調控中發揮關鍵作用，也是代謝綜合征的治療靶點。

3.3 線粒體自噬在T2DM 治療中的作用 維持線粒體自噬穩態是T2DM 預防的有效機制之一。有研究表明，通過肌肉注射使熱休克蛋白72在骨骼肌中特異性過表達，能夠激活PINK1/Parkin 途徑，增強骨骼肌線粒體自噬，減少活性氧的產生，恢復線粒體質量，降低肌肉的胰島素抵抗，抑制高脂高糖飲食引起小鼠肥胖和葡萄糖不耐受，延緩糖尿病的發生發展［27］。此外，Parkin 作為一種泛素連接酶，去泛素化酶可能是線粒體自噬途徑的潛在制動器。USP30是去泛素化酶家族中的一員，其抑制劑ST-539（苯丙氨酸衍生物）能夠促進線粒體自噬，改善線粒體質量控制［28］。研究顯示，紅景天苷可提高小鼠骨骼肌自噬標志蛋白LC3Ⅱ和BNIP3 表達，激活自噬以維持線粒體池的穩態，改善線粒體質量，緩解骨骼肌的胰島素抵抗［29］。黃芪皂苷Ⅱ可調節PINK1通路上調的線粒體自噬相關蛋白（如p62、LC3、PINK1和Parkin）表達，促進線粒體自噬，提高線粒體質量，從而改善糖尿病大鼠足細胞損傷［30］。因此，調控線粒體自噬代表一種治療糖尿病新的靶點。

綜上所述，在罹患T2DM 情況下，線粒體質量失衡引起機體線粒體功能障礙，活性氧生成過多，ATP產生減少，β 細胞發生凋亡，使胰島素分泌減少；線粒體生物合成減少，致使線粒體池無法得到補充，難以維持線粒體的數量和功能。通過激活PGC-1α/NRF1/TFAM 途徑，增強線粒體生物合成，恢復線粒體功能，能夠達到抗糖尿病的作用。線粒體的融合/分裂不是單一獨立的關系，而是相輔相成的關系。高糖內環境的應激條件下，通過加強線粒體動力學，一方面使線粒體融合將多個輕中度受損的線粒體融合為一個線粒體，或者與正常的線粒體結合起來，防止受損的線粒體繼續損傷，以免于自噬；另一方面受損嚴重的部分線粒體會被線粒體相關分裂因子從正常的線粒體中分開，避免正常區域內線粒體繼續受到損傷，最終通過自噬去除受損嚴重的線粒體；此外，不斷的融合與分裂可以交換線粒體相關蛋白以及線粒體DNA，從而保持線粒體池中線粒體的數量和功能，逆轉因高糖引起的胰腺組織病理損傷。線粒體質量控制與T2DM 密切相關，通過調節線粒體生物合成、線粒體融合/分裂和線粒體自噬等相關因子表達，影響線粒體質量控制，從而改善外周組織的胰島素敏感性、提高葡萄糖刺激胰島素分泌能力、促進白色脂肪褐變和減少脂肪異位沉積，達到降糖、降脂治療T2DM 的目的。但目前的相關研究仍處于探索階段，缺乏多維度、深層次及更細致探索；此外，研究類型多以細胞、動物實驗為主，規范化的臨床研究較少且籠統，需要進一步開展相關機制及轉化醫學等方面的研究。