線粒體轉錄因子A介導的線粒體功能障礙在糖尿病心肌病中的作用

呂麗麗,翟滿滿,丁小艷, 陳永清

(1.甘肅中醫藥大學第一臨床醫學院 研究生院,甘肅 蘭州 730000;2.甘肅省婦幼保健院/甘肅省中心醫院 心血管內科,甘肅 蘭州 730000)

據統計糖尿病是并發癥較多的一種疾病,其中心血管并發癥是糖尿病患者致死、致殘的主要原因[1]。而糖尿病心肌病是糖尿病患者特有的,獨立于高血壓、冠心病、心臟瓣膜病,直接由糖尿病相關的糖脂代謝失調引起的以代謝障礙及心功能障礙為特征的心血管并發癥[2-3],主要表現為心肌纖維化、心肌細胞肥大和凋亡,與伴隨的大血管和微血管糖尿病并發癥無關[4]。糖尿病心肌病被認為是復雜且獨特的,其發病原因較多,包括代謝異常、線粒體功能障礙、鈣調節失衡、炎癥反應、氧化應激、心肌細胞凋亡及自噬相關通路的激活等[3, 5-6],但潛在的具體機制仍處于研究探索當中。目前研究證實,高血糖可引起線粒體功能障礙, 進而引起活性氧(reactive oxygen species,ROS)生成增加、細胞內能量代謝改變、葡萄糖攝取減少和游離脂肪酸氧化增加等病理過程[7]。線粒體轉錄因子A(mitochondrial transcription factor A,TFAM)是一種主要的線粒體基因調節因子,其微小的變化都會引起線粒體的功能障礙[8]。周益盛等[9]研究發現在db/db小鼠中,高糖環境使心肌組織中TFAM的表達降低,且隨著db/db小鼠周齡的增長,心臟組織中TFAM的表達逐漸降低。本文就線粒體功能紊亂致糖尿病心肌病的發生機制、TFAM對心肌細胞線粒體功能的影響、TFAM介導的線粒體功能障礙在糖尿病心肌病發生發展中的作用進行綜述,以期為臨床糖尿病心肌病的診治提供理論依據。

1 線粒體功能紊亂致糖尿病心肌病的發生機制

糖尿病心肌病的發病涉及脂質積聚、氧化應激、炎癥、細胞凋亡和能量受損等多種病理過程,而線粒體是細胞糖和脂肪酸的代謝中心,對能量產生、細胞代謝、鈣穩態、細胞內信號傳導和細胞死亡程序的調節至關重要[10]。糖尿病心肌病的發病機制與線粒體功能異常有關[11],其中線粒體功能紊亂導致的氧化應激和細胞凋亡是糖尿病心肌病的常見機制之一[12]。

1.1氧化應激 氧化應激是氧化系統和抗氧化系統間的失衡狀態,線粒體為ROS生成的主要位點,正常情況下可維持機體氧化和抗氧化系統的平衡狀態[13]。但在某些病理情況下,減弱線粒體呼吸和膜電位可誘導線粒體功能障礙,ROS生成增加,氧化應激增強[14]。研究顯示,ROS過度產生及線粒體內抗氧化系統失衡是氧化應激的主要原因[15]。胰腺β細胞比其他細胞的自由基解毒酶和氧化還原調節酶水平低,因此2型糖尿病患者胰腺β細胞受損時抗氧化能力降低,ROS生成增加,氧化應激增強。ROS作為蛋白質氧化損傷的重要因素,在生理條件下可調節胰島素的分泌、維持線粒體正常功能; 在糖尿病等病理條件下,氧化代謝增強產生大量的ROS可進一步導致線粒體功能障礙,線粒體功能障礙常伴有形態改變、含量減少、呼吸鏈酶復合體活性降低、ATP 合成減少等病理變化,而上述病理變化均與糖尿病心肌病的發病密切相關[13, 16]。

1.2細胞凋亡 線粒體不僅通過氧化代謝產生ATP,還參與細胞凋亡、鈣離子轉運、炎癥反應和自噬等多種生命活動[17]。在糖尿病等病理情況下,線粒體功能受損,氧化應激增強。氧化應激增強導致線粒體膜通透性轉換孔開放,造成線粒體膜電位喪失,進而導致ATP產生受阻、細胞色素C等蛋白釋放。細胞色素C等凋亡酶激活因子激活含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(cysteinyl aspartate specific proteinase,caspase), 活化的caspase可將細胞內的重要蛋白降解,通過線粒體/細胞色素C介導的信號通路觸發內源性細胞凋亡途徑[18]。其次也有研究發現,高糖可激活心肌細胞外源性和內源性凋亡通路關鍵啟動子caspase-8和caspase-9,隨后激活下游凋亡執行者caspase-3,介導高糖誘導的乳鼠心肌細胞凋亡[19]。線粒體為細胞凋亡的關鍵調節因子,而細胞凋亡是糖尿病心肌病發生的關鍵細胞過程。

2 TFAM對心肌細胞線粒體功能的影響

線粒體是唯一有DNA的細胞器,受到核基因組DNA和線粒體DNA(mitochondrial DNA, mtDNA)的雙重遺傳控制, 其中mtDNA是細胞線粒體最重要的組成部分,它的拷貝數反映了線粒體DNA轉錄和ATP生成。mtDNA是一種16.5 kb的雙鏈環狀分子,可編碼氧化磷酸化復合物的13個蛋白質亞基,盡管mtDNA編碼的13種蛋白質亞基僅構成氧化磷酸化的小部分,但mtDNA仍然是氧化磷酸化過程必不可少的基因組。當mtDNA表達下降時,線粒體功能障礙,氧化磷酸化過程受損,ATP生成減少[20-23]。線粒體功能由mtDNA和調節其轉錄和復制的因子控制[24],而哺乳動物模型中mtDNA拷貝數的主要調控因子是TFAM[25],TFAM是mtDNA啟動子的特異性增強子,是高遷移率蛋白組的成員。研究表明,過表達TFAM可治療線粒體功能障礙介導的疾病[26]。TFAM在mtDNA轉錄激活過程、基因組復制及調節mtDNA拷貝數等過程中均發揮重要的調控作用,是mtDNA復制和轉錄所必需的包裝蛋白, 進一步維持線粒體功能[27-28]。TFAM由核基因組DNA編碼,在細胞質中合成并導入線粒體[27], 通過將mtDNA的單個拷貝儲存在功能性線粒體類核中而起到保護心臟的作用[20]。其次TFAM的功能性線粒體類核成分為mtDNA的轉錄、轉導和修復等功能過程創造了一個安全的環境[10],因此TFAM與mtDNA的相互作用對于線粒體功能的維持至關重要[29]。此外TFAM可通過改變線粒體膜電位及向其他細胞器發出信號的方式來調節胞質內的Ca2+, 從而調節細胞代謝[30]。有研究證實,高血糖可導致心肌細胞線粒體功能障礙,加重心肌細胞氧化應激而導致心肌細胞損傷[15]。探究高糖狀態下心肌細胞中TFAM的表達及其對心肌細胞線粒體功能的影響,可深層次了解糖尿病心肌病的發生機制和尋找有效的治療靶點。

3 TFAM在糖尿病心肌病發生發展中的作用

線粒體的功能極其依賴mtDNA的原因是mtDNA位置特殊,其更容易受到ROS誘導的氧化應激損傷。而TFAM可通過與mtDNA的纏繞增加其穩定性,保護mtDNA不被ROS降解,并與抗氧化劑(SOD-2)表達增加和潛在的氧化還原平衡相關[20, 31],維持線粒體功能穩定。實驗研究表明,高糖環境下心肌組織中TFAM表達降低[9],心肌線粒體功能異常、線粒體內抗氧化系統受損,體內產生過量ROS[17]。還有研究指出,在高血糖狀態下脂質代謝紊亂和葡萄糖氧化增加等多種情況可使ROS大量產生, 超過抗氧化系統的清除能力,引起氧化應激[32-33]。適度的氧化應激可增加蛋白質的活性,對機體有益,但過多的ROS簇產物可通過與脂質、蛋白質和DNA間的相互作用引起病理改變[34]。ROS增加可直接引起分子損傷,進一步加重線粒體功能障礙,降低脂肪酸的氧化能力,導致糖尿病患者脂質積聚、纖維化、心臟舒張功能障礙,甚至心力衰竭[35]。然而在病理條件(如糖尿病)下,機體抗氧化系統受到破壞,ROS加速積累,并導致氧化應激增強,通過激活心肌細胞外源性和內源性凋亡通路引起心肌細胞凋亡[19, 36]。目前已經證實,糖尿病心肌病患者心肌細胞內ROS增多,內源性和外源性抗氧化系統被破壞,體內氧化應激增加[32, 37]。當發生線粒體氧化應激時,ROS增加可直接引起分子損傷,進一步加重線粒體功能障礙,而線粒體功能障礙時,抗氧化系統受損,ROS過度產生導致機體發生氧化應激[35]。因此在糖尿病心肌病中發生氧化應激和線粒體功能障礙時,二者相互作用進一步促進了糖尿病心肌病的進展。在結腸癌細胞中,TFAM的敲除導致mtDNA的數量降低,從而增加了mtDNA氧化損傷的修復時間,導致線粒體氧化應激損傷的發生。此外,對黑腹果蠅的相關研究也表明,TFAM能夠清除線粒體的氧化應激,抑制線粒體的過度損傷[38]。上述研究表明TFAM對氧化應激的清除、降低相關疾病的發生率具有重要意義,推測在糖尿病心肌病中,TFAM也能夠清除線粒體的氧化應激,延緩疾病的發展。其次另有研究指出,過表達TFAM可通過活化的T細胞的核內因子通路延緩心肌細胞重塑[39]。也有實驗證實高糖環境下TFAM表達降低,心肌細胞線粒體功能障礙[9]。但在高糖環境下使心肌細胞過表達TFAM是否有利于線粒體功能的恢復以及具體分子機制尚未見研究報道。

4 小結與展望

隨著糖尿病患者數量的不斷增加,糖尿病心肌病作為糖尿病重要但尚未闡明的并發癥,已成為近年來的研究熱點。盡管既往有研究證實高血糖可導致TFAM表達降低、心肌細胞線粒體功能障礙、心肌細胞氧化應激,從而導致心肌細胞損傷。但也有研究指出,TFAM能夠清除線粒體的氧化應激,心肌細胞中過表達TFAM可提高線粒體ATP水平、細胞活力。但是在高糖環境下使心肌細胞過表達TFAM是否有利于線粒體功能的恢復以及具體分子機制尚未見研究報道。目前糖尿病心肌病的發病機制、診斷和治療仍是醫療界面臨的重要問題之一,所以通過對TFAM在糖尿病心肌病中的作用及潛在機制的研究有望能為糖尿病心肌病的診療提供理論依據。