線粒體功能障礙與胰島素抵抗及其導致的生殖內分泌疾病的相關性研究進展▲

鄔曉梅 郭 敏 侯海燕

(1 天津美津宜和婦兒醫(yī)院手術室,天津市 300381;2 中國人民武裝警察部隊特色醫(yī)學中心生殖醫(yī)學科,天津市 300162;3 天津醫(yī)科大學研究生學院,天津市 300203)

【提要】 線粒體是細胞的能量供給中心。線粒體功能障礙參與許多疾病的發(fā)病機制,包括胰島素抵抗和多囊卵巢綜合征等。由于線粒體在血紅素生物合成、鈣離子緩沖、類固醇的合成和細胞內凋亡信號通路中發(fā)揮著核心作用,了解線粒體功能障礙的分子生物學機制對相關疾病的認識具有重要意義。本文就線粒體的結構和功能、線粒體功能障礙與胰島素抵抗的相關性,線粒體功能對IR相關生殖內分泌疾病的影響,以及靶向線粒體的應用前景的研究進展進行綜述,以期為臨床治療胰島素抵抗相關生殖內分泌疾病提供新思路。

線粒體是維持細胞內穩(wěn)態(tài)必不可少的細胞器,是細胞內氧化磷酸化的場所,主要功能是保證能量的產生,并在細胞凋亡及維持鈣穩(wěn)態(tài)方面起到關鍵性作用。線粒體在細胞和組織新陳代謝中發(fā)揮著重要的作用,其功能的改變可能會導致一些疾病的發(fā)生和發(fā)展,如阿爾茨海默病、癲癇、心肌病、肝硬化、糖尿病和卵巢功能障礙等[1]。因此,了解線粒體功能障礙的可能機制對認識某些疾病的病理改變具有重要意義。早在19世紀末,學者們就開展了關于線粒體的研究,但是線粒體的功能與人類疾病之間的具體聯(lián)系目前尚未明確。

胰島素抵抗(insulin resistance,IR)主要表現(xiàn)為機體胰島素敏感性下降,普遍存在于多種代謝相關性疾病中,尤其在生殖內分泌相關疾病的發(fā)病中扮演重要角色,但其具體的機制尚未明確。研究表明線粒體功能障礙與IR有關,但目前關于線粒體功能障礙與IR的關聯(lián)性和干預性研究結果并不一致,兩者之間是否存在直接的聯(lián)系及因果關系至今仍不清楚。本文就線粒體的結構和功能,線粒體功能障礙與IR的相關性,線粒體功能對IR相關生殖內分泌疾病的影響,以及靶向線粒體的應用前景的研究進展進行綜述,以期為IR相關的生殖內分泌疾病的發(fā)病機制研究提供新思路,為臨床治療生殖內分泌疾病提供參考。

1 線粒體的結構與功能

線粒體的遺傳方式一般為母系遺傳,其是細胞內的雙膜細胞器,廣泛存在于真核細胞的細胞質,可以合成多種細胞生物進程中所必需的三磷酸腺苷,這也是線粒體最重要的功能。線粒體是唯一含有DNA的細胞器,哺乳動物的線粒體DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)可以編碼2種rRNA、22種轉錄RNA和13種蛋白,在基因的轉錄和翻譯過程中具有重要作用[2]。另外,正常的線粒體功能可以支持許多關鍵的細胞功能,如細胞內蛋白質、核酸、脂質的合成,以及細胞周期、程序化死亡的調控,且其在鈣信號通路、檸檬酸循環(huán)、活性氧簇的產生和抗氧化劑的保護作用中也發(fā)揮重要的調控作用。

人體線粒體正常運轉需要細胞核與mtDNA內部反應協(xié)調一致,正常條件下體內通過一些質量控制途徑來發(fā)現(xiàn)及標記功能失調的線粒體,并通過自噬的方式來消除異常的線粒體[3]。另外,質量控制途徑還包括通過線粒體未折疊蛋白反應(mitochondrial unfolded protein response,mtUPR)來感知蛋白質的折疊錯誤,并通過激活適應性轉錄途徑來維持線粒體蛋白質的穩(wěn)態(tài)[3]。但多種因素可導致線粒體的功能障礙,諸如mtDNA突變、線粒體生物合成減少、線粒體動力學受損、三羧酸循環(huán)或電子傳遞鏈過程中線粒體活性降低、線粒體自噬減少、生物能量受損和鈣穩(wěn)態(tài)失衡等[4]。研究發(fā)現(xiàn),線粒體功能障礙主要表現(xiàn)為細胞內穩(wěn)態(tài)的破壞,最終導致疾病的發(fā)生[5]。因此,了解線粒體功能障礙的發(fā)生機制,并采取有效的干預措施是治療相關疾病的潛在靶點。

2 線粒體功能障礙與IR的相關性

胰島素能夠促進骨骼肌和脂肪組織儲存營養(yǎng)物質,抑制脂肪的分解和肝糖原的產生,胰島素功能異則會導致糖尿病、生殖內分泌相關疾病等的發(fā)生。目前關于胰島素功能異常的研究主要集中在IR的發(fā)生機制。研究發(fā)現(xiàn)[3],伴有IR的2型糖尿病患者存在線粒體功能障礙,線粒體功能障礙會導致此類患者肌肉組織中氧化酶的活性降低及脂質代謝水平下降,提示線粒體功能障礙可能是導致IR的機制之一,因此探究線粒體功能障礙的相關機制對IR相關疾病的早期防治或許有重大意義。

2.1 線粒體功能障礙導致IR發(fā)生 大量研究發(fā)現(xiàn)線粒體功能障礙可能導致IR的發(fā)生,但具體的機制復雜多樣。例如,Gonzalez-Franquesa等[3]發(fā)現(xiàn)線粒體功能損傷可以導致異位脂質的底物累積并增加二酰基甘油(diacylglycerol,DAG)和神經(jīng)酰胺的水平,而DAG和神經(jīng)酰胺均被證實能夠抑制胰島素信號通路,誘導IR的發(fā)生。在一項體外研究中,Hoehn等[6]發(fā)現(xiàn)線粒體功能障礙導致的活性氧增加可以減弱小鼠脂肪細胞和肌管的胰島素活性,并通過干擾胰島素受體底物和磷脂酰肌醇激酶對胰島素的激活,抑制3T3L1細胞中胰島素依賴的葡萄糖轉運蛋白4運輸,導致胰島素功能障礙,誘發(fā)IR。此外,Ribas等[7]通過敲除小鼠肌肉組織中的線粒體轉錄因子A來損傷線粒體和呼吸鏈的功能,發(fā)現(xiàn)小鼠體內隨即發(fā)生IR,提示線粒體功能障礙可能是IR的誘發(fā)因素。雖然目前的研究偏向于線粒體功能障礙是導致IR的重要機制,但鑒于目前的相關研究結果多樣化,機制通路復雜,探索線粒體功能障礙是如何導致IR的發(fā)生,仍是一項巨大的挑戰(zhàn),未來繼續(xù)探究線粒體功能障礙的機制及其如何導致IR的發(fā)生,對于人類相關疾病的診治研究將具有重大價值。

2.2 IR影響線粒體功能 線粒體功能障礙是糖脂代謝紊亂發(fā)生的原因還是糖脂代謝紊亂導致的結果,目前尚存爭論。雖然大多的研究認為線粒體是導致IR發(fā)生的原因,但是也有一些研究表明IR可以導致線粒體功能發(fā)生障礙。例如,Patti等[8]2型糖尿病患者體內過氧化物酶增殖激活物受體γ輔助活化因子1α(proliferator-activated receptor gamma coactivator 1 alpha,PGC1α)基因表達量降低,而PGC1α被證實是線粒體生物發(fā)生過程中的一個關鍵轉錄因子[8],提示糖尿病的發(fā)生可導致線粒體功能發(fā)生障礙,二者存在相關性。與正常人群相比,2型糖尿病患者體內線粒體數(shù)量相對較少,且電子傳遞鏈活性相對較低[9],且從2型糖尿病患者的肌肉活檢組織中提取的線粒體氧化磷酸化作用降低[10]。以上研究表明了糖尿病患者體內線粒體功能在一定程度上受損,但具體機制目前尚不明確。

3 線粒體功能對IR相關生殖內分泌疾病的影響及靶向線粒體的臨床應用前景

目前臨床上對于生殖內分泌疾病常采用長期服用激素藥物的治療方案,但其療程長,且易引發(fā)心血管等并發(fā)癥,患者接受度低,因此亟須新型有效的治療方案。研究顯示,IR與常見的生殖內分泌疾病息息相關,如多囊卵巢綜合征(polycystic ovary syndrome,PCOS)、早發(fā)性卵巢功能不全(primary ovarian insufficiency,POI)等[11]。故有學者提出以與生殖內分泌疾病發(fā)病機制相關的IR作為切入點展開研究,或許能為其臨床治療提供新思路。鑒于線粒體功能障礙與IR存在密切關系,下文探討線粒體功能對IR相關生殖內分泌疾病的影響,以及靶向線粒體的臨床應用前景。

3.1 線粒體功能對IR相關生殖內分泌疾病的影響 研究發(fā)現(xiàn),線粒體數(shù)量在卵子成熟時急劇增加,引起卵母細胞mtDNA突變增多,導致卵母細胞破壞[12],提示線粒體在卵母細胞的破壞中發(fā)揮重要作用。PCOS和POI的發(fā)生、發(fā)展與卵母細胞質量受損相關[13],提示線粒體功能障礙與卵巢儲備功能下降有關。關于線粒體在PCOS、POI等卵巢功能障礙引起的生殖內分泌疾病中的作用機制,目前大部分研究集中于線粒體發(fā)揮生物功能的過程,例如有學者發(fā)現(xiàn)PCOS和POI患者體內維持線粒體內穩(wěn)態(tài)的基因發(fā)生了突變,引起線粒體內活性氧簇的產生增加,線粒體功能無法發(fā)揮作用,直接導致卵母細胞失能,進一步導致卵巢功能下降[14]。另外,卵母細胞的質量與顆粒細胞的功能密切相關,顆粒細胞能為卵子的發(fā)生提供所需的能量,顆粒細胞在卵母細胞發(fā)育和排卵過程中起到關鍵作用。研究發(fā)現(xiàn),PCOS患者顆粒細胞中線粒體內的活性氧簇水平顯著升高,而高水平的活性氧簇可引起顆粒細胞凋亡[15],影響卵母細胞的發(fā)育過程。以上研究說明線粒體通過多途徑參與卵母細胞的發(fā)育過程,其功能發(fā)生障礙可導致卵母細胞發(fā)育異常或遭受破壞,進而導致卵巢功能受損,引發(fā)生殖內分泌疾病,但具體的作用機制還需更多、更深入的研究進一步探討。

3.2 靶向線粒體在改善卵巢功能中的臨床應用前景 目前有學者開始探討以線粒體發(fā)揮功能的途徑作為切入點,尋找可以治療相關疾病的靶點,已有少量有關改善卵巢功能恢復的研究報告。例如,依據(jù)電子載體輔酶Q10在維持線粒體膜穩(wěn)定性和三磷酸腺苷的產生中發(fā)揮作用,Ben-Meir等[16]以輔酶Q10作為提高卵母細胞質量的治療靶點進行研究,發(fā)現(xiàn)補充輔酶Q10的小鼠卵巢內基礎卵泡的數(shù)量增加,促排卵后成熟卵泡的比例增加。Sugiyama等[17]研究發(fā)現(xiàn)組蛋白去乙酰化酶Sirtuin1(SIRT1)激活劑白藜蘆醇可以增加mtDNA水平和膜電位,從而提高卵母細胞內三磷酸腺苷水平,恢復卵母細胞功能,而SIRT1可以通過對PGC1α乙酰化促進線粒體凋亡。有研究顯示,通過降低線粒體內的活性氧簇水平,可以提高牛卵母細胞的受精率[18],提示通過干擾線粒體功能鏈可能可以改善女性的生育能力。另外,研究發(fā)現(xiàn)褪黑素可以減輕線粒體的氧化應激,這在延緩生育力下降過程中發(fā)揮重要作用[19]。此外,有研究人員將年輕供卵者的卵母細胞胞漿或功能正常的線粒體移植到功能障礙或者有異質性的卵母細胞中,結果有25個嬰兒成功出生,提示線粒體對生育力的恢復具有重要作用,但學者們對該研究方法存在爭議,認為它會增加子代異質性的風險[20]。雖然,目前大量的研究認為靶向線粒體可以在一定程度上恢復女性的卵巢功能和生育力,但鑒于目前的研究大多數(shù)在動物實驗中進行,而且相關技術操作仍不成熟,將線粒體用于臨床治療仍面臨巨大挑戰(zhàn)。

4 小 結

目前,大量研究報告了線粒體功能改變與生殖內分泌疾病的關系,且線粒體功能障礙和IR可以由母親遺傳給子代,這提示線粒體功能缺陷可能是代謝失衡與生殖問題相互關聯(lián)的紐帶,但線粒體與胰島素之間的關系是高度復雜且兩者可相互作用,具體的作用機制還需更深入的探討。此外,雖然動物實驗研究證實了線粒體功能、IR和生殖功能的跨代關系,但關于糾正線粒體功能紊亂能否降低子代線粒體疾病的易感性仍有待研究。